利用機載LiDAR測繪大比例尺數(shù)字地形圖的可行性研究

胡耀鋒，張志媛，林 鴻

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州510060;2.廣州市規(guī)劃局，廣東 廣州510060)

一、引 言

激光雷達技術是從20世紀中后期逐步發(fā)展起來的一門高新技術，是一項通過由傳感器所發(fā)出的激光來測定傳感器與目標物之間距離的主動遙感技術［1］。機載激光雷達測量技術作為一種新興的空間對地觀測技術，在多等級三維空間信息的實時獲取方面取得了重大突破，引起了測繪、林業(yè)等相關行業(yè)人員的濃厚興趣。雖然機載激光雷達無法完全取代傳統(tǒng)的航空攝影測量作業(yè)方式，但可以預見，在未來的航空遙感領域，LiDAR將成為主流之一［2］。

美國國家宇航局(NASA)、美國地質調查局(USGS)以及美國地質學會(AASG)已經(jīng)開始建設全美高分辨率激光雷達數(shù)據(jù)庫。我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，國家、地方、企業(yè)生產(chǎn)單位迫切需要現(xiàn)實性強、精確度高、比例尺大的地形數(shù)據(jù)產(chǎn)品，滿足這些要求的主要途徑是采用激光雷達這一先進的測繪技術［3］。當前，在基礎地形圖的測繪中，LiDAR主要應用于專題和帶狀地形測量方面，真正用于大面積的地形圖測量上還比較少。

二、LiDAR系統(tǒng)組成及主要誤差來源

LiDAR系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)(laser and scanning subsystem)、慣性測量裝置(inertial measure unit，IMU)、GPS、監(jiān)視及控制系統(tǒng)(operator display)組成。其中LiDAR傳感器是系統(tǒng)的核心部件。由于這些部件高度集成，系統(tǒng)本身必將受到來自激光測距、姿態(tài)、飛行器位置等各種誤差源的影響［4］，這些誤差能直接影響到激光腳點坐標的精度。機載LiDAR系統(tǒng)誤差主要包括系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差會給激光腳點坐標帶來系統(tǒng)偏差。主要包括:①GPS定位誤差;②激光測距誤差;③測角誤差;④系統(tǒng)集成綜合誤差;⑤INS姿態(tài)測量誤差;⑥其他誤差，如搭載數(shù)碼相機的LiDAR還包括相機的誤差、通過不同航帶獲取的點云數(shù)據(jù)存在誤差［5］等。GPS定位誤差是目前影響機載激光雷達測量精度的最主要誤差源之一，一般為厘米級到分米級［6］。

三、LiDAR測圖實施及關鍵技術

LiDAR測圖項目一般包括航外和航內作業(yè)兩個步驟，航外作業(yè)包括航空權的申請、飛行前的準備、儀器檢校、外業(yè)飛行、航測內業(yè)數(shù)據(jù)處理;航內作業(yè)包括內業(yè)成圖、外業(yè)調繪、數(shù)據(jù)入庫等環(huán)節(jié)。

1.項目概況

本項目位于廣州市從化區(qū)，面積1985 km2，測區(qū)東北部以山地、丘陵為主，中南部以丘陵、谷地為主，西部以丘陵、臺地為主。市內最高點海拔1210 m，最低點為海拔16.3 m。測區(qū)植被茂盛。

2.本項目使用的LiDAR設備

本項目采用的LiDAR掃描設備為德國TopoSys公司的Harrier 68i，是新一代LiDAR設備，激光掃描儀的型號為Riegl LMS-Q680;飛機采用運-5，數(shù)碼相機為Rollei Metric AIC Pro65;慣導系統(tǒng)型號為Applanix POS/AV系列，該儀器的GPS、IMU、激光掃描儀、相機均集成在設備箱內。

3.LiDAR測圖關鍵技術

外業(yè)航飛計劃制定、GPS基站設置、參考面測量、內業(yè)成圖是測圖的關鍵，另外由于市面上還沒有成熟的LiDAR地形圖測制軟件，軟件開發(fā)也是重點。

1)飛行計劃制訂:包括航帶劃分、飛行高度、速度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉動速度、數(shù)碼相機方位元素及定位、相機拍攝時間間隔等內容。本項目分A、B兩個范圍設計，其中A區(qū)飛行方向為西北—東南，共布設29條航線，相對航高為1600 m;B區(qū)飛行方向為西北—東南，共布設51條航線，相對航高為900 m。

2)GPS基站設置:在地面沿航線布設一定數(shù)量GPS基準站用于動態(tài)GPS定位，保持平均間距應在30～50 km，合理布設基準站可有效減小大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星鐘差及軌道差等。在測區(qū)中最好也布設1～2個基準站，用于數(shù)據(jù)處理后快速檢測已知點與所測點云的絕對誤差。將流動站安置在飛機上，將基準站和流動站采樣間隔調整一致。本項目實際架設5個基站，平均間距為24 km，分布如圖1所示。

圖1 GPS基站分布圖

3)參考面測量:為保證數(shù)據(jù)處理的精度，消除系統(tǒng)誤差，在測區(qū)范圍內測量部分高程和平面參考數(shù)據(jù)，本測區(qū)共設計9個參考面，參考面均勻分布在測區(qū)范圍內，平均間距約15 km，如圖2的所示。

圖2 參考面分布圖

4)成圖軟件開發(fā)及內業(yè)成圖。經(jīng)過LiDAR航飛后，獲得了數(shù)字正射影像圖、點云數(shù)據(jù)(地面點與非地面點數(shù)據(jù)，COO格式)、DEM(數(shù)字高程模型)等。由于目前市面上激光點云處理軟件地形圖測制功能較弱，研制LiDAR測圖軟件也是項目的關鍵。針對LiDAR特點及其成果的特征，該軟件主要功能應包括:地形圖繪制、點云數(shù)據(jù)快速調入、點云抽稀、影像圖快速調入及管理、房屋自動傾斜改正等。另外，由于本項目地面激光點密集，每平方千米約為1～4個，數(shù)據(jù)量非常龐大，利用傳統(tǒng)建立三角網(wǎng)生成等高線的辦法無法實施，因此，等高線大區(qū)域、快速生成也是項目的關鍵。本項目參考國家標準定制了地形圖測制模版(包括數(shù)據(jù)標準、地形圖圖式等)，并開發(fā)了LiDAR測圖軟件，解決了等高線快速生成等技術難題。在內業(yè)成圖上，正射影像圖中道路、水體、坎、斜坡的判讀與繪制是影響地形圖精度與質量的主要環(huán)節(jié)，同時，高層房屋的傾斜糾正也是項目的關鍵。

四、精度及植被穿透性檢測

1.平面、間距及高程精度檢測

本項目數(shù)學精度采用外業(yè)設站檢測及內業(yè)大比例尺(1∶500)地形圖精度比對兩種方法進行，外業(yè)設站進行了點位平面精度檢測、高程精度檢測、點位間距精度檢測。檢測成果見表1。

表1 平坦和丘陵地貌數(shù)學精度檢測表

2.植被穿透性檢測

表1中檢驗了平坦和丘陵地貌的高程精度，這些區(qū)域大部分位于居民區(qū)內，通常無成片植被覆蓋。本項目作業(yè)區(qū)中北部有2/3屬于山地丘陵地貌，植被覆蓋茂密，屬于典型的南亞熱帶和熱帶混交林帶，激光點的高程精度直接影響到地形圖中高程點和等高線的精度。為了檢驗本項目激光掃描儀對植被的穿透情況，測試激光點在不同植被下的高程精度，制定高程改正方案，本項目選定了作業(yè)區(qū)具有代表意義的8種不同植被類型進行高程檢測，如圖3所示。

圖3 典型植被高程檢測對照圖(虛線為LiDAR測定高程，實線為實地測量高程)

針對不同植被類型和覆蓋高度，對檢測點作了中誤差統(tǒng)計，結果見表2。

表2 山地植被高程檢查表

通過對圖3和表2的分析可以得出結論:①在一般情況下LiDAR航測高程大于實際檢測高程，如果需要得到更高的高程精度，可以為局部地貌減去高程中誤差以提高航測的精度，但是平地荔枝林地貌除外。在該地貌中共檢測了12個高程點，LiDAR航測高程大于實際檢測高程有7個點，中誤差為－0.08，小于實際檢測高程有 5個點，中誤差為+0.078，高程正負相當，這與平地高程檢測(見表1)的情況相類似，不能通過高程改正來提高精度。②點云分類的優(yōu)劣是影響高程精度高低的主要因素。在表2中山地荔枝林的高程精度為0.33 m，平地荔枝林為0.079 m，誤差相差4倍多，而實地的植被覆蓋情況剛剛相反，平地荔枝林的覆蓋密度要大于山地荔枝林，主要原因在點云的后繼分類處理上。山地地形變化大，可供選取的分類參照點少且選取困難;平地地形變化小，可以選取樹林邊的道路作為參照點。分類參照點多且明顯，分類的結果就會更好。

五、結 論

LiDAR系統(tǒng)能全天候高精度、高密集度、快速和低成本地獲取地面三維數(shù)字數(shù)據(jù)，具有廣泛的應用前景［7］。通過本項目實踐和精度檢驗可以得出如下結論:

1)航高越高地面激光點的密度就越低，精度越差;反之，航高越低地面激光點的密度就越高，精度越高。降低航高將增加航飛次數(shù)及數(shù)據(jù)處理工作量，應當根據(jù)地理條件選擇與測圖比例相適應的航高。目前LiDAR能滿足1∶5000、1∶2000甚至更大比例尺的精度要求。本項目精度滿足國家相關規(guī)范要求，成果通過了國家測繪地理信息局測繪產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗站的檢測。

2)激光對植被具有一定的穿透性，植被越密集到達地面上的激光點越少，反之就越多。

3)LiDAR相對傳統(tǒng)航空攝影測量具有極大優(yōu)勢。它不需要布設像控點，無須構建立體像對，采用高清晰數(shù)碼相機拍攝，影像判讀清晰，色彩更真實，地類分界明顯，制圖速度快，工藝流程與傳統(tǒng)相比省去了膠片的沖洗和影像的掃描，減少了原始影像信息的損失［8］。本項目僅用時4個多月，成本和工期節(jié)約了30%～40%，驗證了LiDAR的成圖效率。

4)LiDAR的高程精度優(yōu)于平面精度，這與傳統(tǒng)的航測剛好相反，二者的結合將是以后生產(chǎn)1∶500甚至更大比例尺地形圖的主要研究方向。

［1］趙峰，李增元，王韻晟，等.機載激光雷達(LiDAR)數(shù)據(jù)在森林資源調查中的應用綜述［J］.遙感信息，2008(1):106-110.

［2］吳華意，宋愛紅，李新科.機載激光雷達系統(tǒng)的應用與數(shù)據(jù)后處理技術［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(3):58-63.

［3］宮鵬，黃華兵.激光雷達技術在我國地形測圖中應用前景廣闊［J］.地理信息世界，2008(12):45-48.

［4］劉經(jīng)南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統(tǒng)誤差分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2002(4):111-117.

［5］王蒙，隋立春，黎恒明.機載LiDAR點云數(shù)據(jù)的航帶拼接研究探討［J］.測繪通報，2010(7):5-8.

［6］張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2007.

［7］李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面三維數(shù)據(jù)的Li-DAR 技術系統(tǒng)［J］.測繪科學，2002(4):35-38.

［8］喻雄.機載激光雷達在山區(qū)高速公路勘測中的應用［J］.測繪通報，2011(2):31-34.