機載LiDAR點云在大比例尺地形圖生產中的應用研究

□ 呂愛美

（山東省國土測繪院，山東 濟南 250102）

0.引言

傳統航測技術是通過航空影像空三加密，建立立體模型后人工測取高程點、等高線，生成DEM，工序比較繁瑣，工作量大，耗費大量的人工和時間。機載激光掃描技術(LiDAR)是20世紀80年代中期逐漸發展起來的一項高新技術,該技術通過位置、距離、角度等觀測數據直接獲取對象表面的三維點云信息,具有數據獲取速度快、空間與時間分辨率高、動態探測范圍大、主動性強等特點，廣泛應用于大比例尺測圖、公路建設、電力巡線等各個領域[1-2]。對于大范圍的地形掃描，由于沒有軟件能夠對非地形點剔除，容易造成數據缺失，其應用于地形圖精細繪制還需要進行研究[3]。

1.技術路線與方法

機載LiDAR技術流程主要包括航空影像和點云數據同步獲取、數據處理、基于點云的數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）制作，基于點云的高程點選取、等高線自動生成，等高線和高程點映射至立體模型、地物采集、外業補調、立體檢查修改，全要素地形圖生成。傳統航測技術流程主要包括航空影像獲取、空三加密、地物地貌采集、外業補調、立體檢查修改、地形圖生成。

機載LiDAR技術流程和傳統航測比較的技術流程見圖1。

圖1 技術流程對比圖

1.1 點云處理及DEM創建

LiDAR系統是利用機載激光雷達測距系統和GPS/IMU直接獲取地面點的三維坐標，形成離散的、不規則的三維點云數據[4]。與傳統航空攝影技術相比，機載LiDAR技術不受日照、天氣影響，可全天候主動快速獲取精準的高分辨率數字地面模型及地物的三維坐標，具有采集速度快、高程精度高、成圖周期短等特點[5]。

LIDAR點云數據的處理主要分為預處理和后期處理兩個部分。預處理包括軌跡線解算和點云與處理兩個方面。軌跡線解算采用POSPac軟件，將機載動態GPS數據、IMU姿態數據和地面基站靜態GPS數據進行組合計算處理，從而提高動態GPS數據精度，并通過GPS與IMU的相互解算，將定位和測姿精度控制在測量誤差允許范圍內。根據SDCORS站點和地面基站分布及觀測數據質量情況，數據處理模式選擇多基站Smartbase或單基站緊密耦合算法。POS數據聯合地面基站數據經前算、后算、精算和平滑處理，獲得包含坐標位置與姿態信息的軌跡線文件和精度文件。

點云預處理采用LMS軟件，利用重疊航帶之間、對飛構架航線之間以及航線與構架航線之間存在的同名面，通過構建同名面坐標誤差方程，采用最小二乘原理獲得系統檢校參數。再由激光測距文件聯合軌跡線文件，附加系統檢校參數，進行解算生成三維點云數據。

后期處理主要是依托LAS++Pro和TerraSolid軟件平臺，對預處理點云數據進行細分類，生成DEM。由于本測區范圍內多為丘陵和山地，植被覆蓋稀疏，光線抵達地面率高，這就增加了LIDAR數據的準確率。部分數據受到地面高大植被、建筑物、移動物體等的影響，必然會有部分的噪聲點。通過后期處理，將噪聲點、非地面點進行分類，根據絕對高程或設定閾值來去除明顯的異常點，或對部分失真區域補充，以得到高精度點云數據和數字高程模型DEM（如圖2、圖3所示）。

圖2 點云處理前

圖3 點云處理后

1.2 等高線自動生成

等高線是表達地形、地貌特征的主要內容，為解決目前地形圖生成中地貌測繪問題，從點云數據中快速獲取等高線是一種較好的途徑[6]。

以選取的測區數據為例，在EPS的點云模塊里，導入精準點云數據，選擇適合本項目的等高距為1.0m或2.0m，輸入計、首曲線編碼、最佳的等高線生成參數3×3（山地），經過3次去抖動、平滑（參數可為0.8）、懸掛線頭檢查等處理，生成較為滿意的本測區范圍內的等高線。

設定面積基數，刪除平整旱地、路面、居民院內的細少閉合曲線。且不可刪除山頭、凹地的閉合曲線。范圍內會有部分曲線斷開、懸掛等，需連接同高曲線，改至無拓撲錯誤。

1.3 DOM制作

數字正射影像圖(DOM)是一種新的圖種，它是可以量測的真實影像，其用途越來越廣泛。目前，數字正射影像圖已經成為測繪生產部門的一個重要產品[7]。在清華三維EPS的航天遠景模塊里，結合空三加密數據和數字影像，導入等高線數據。大比例尺正射影像在紋理清晰的區域易產生移位、變形，可適當采集道路、水系等主體框架定位。然后構TIN(三角立體控制網),生成分辨率為0.2m的單片數字正射影像DOM。DOM生產包括單片正射糾正、勻光勻色、鑲嵌線自動匹配、鑲嵌線編輯和成圖輸出[8]。其余地物如：居民地、梯田等則會準確清晰，這為后續的高程點位提取，提供了前期的基礎圖件。

1.4 立體地物地貌采集

傳統航測的地物、地貌采集是在本步驟開始的。采用常規的立體測圖軟件JX4G或VirTuoZo，由于受到航高、航片比例尺、空三加密、人人各異的立體觀測視差等幾個環節，高程點的采集精度大大降低，且每個高程點均需人工看準立體逐個采集。手繪等高線則需熟練作業員配合X,Y方向的手輪時刻切準地面，逐條繪出。人力耗費巨大，效率低下。

遵循信息化的前提下，在保持地物等空間對象的整體性、完整性基礎上[9-11]，按照地物概括原則，合理采集地物。為了節省時間和外業的工作量，本類圖一般采用先內后外的模式。新的技術流程是在EPS的航天遠景模塊，利用空三數據，建立立體模型，采集地物，疊加DOM放圖后，外業再適當補充調繪。

按照利于設計，服務于施工，提前預知工程成本的原則，地物的采集分為規劃道路中心線兩側各500m以內和以外，有兩種不同的要求。即500m以內，地物需詳細表示。其精細程度應與1∶500地形圖相當。500m以外，地物可適當綜合表示。

1.4.1 500m范圍內房屋應單棟繪出。梯田坎高差在1m左右的須逐條表示。水井、池塘、河流等水系準確定位水涯線。

1.4.2 為便于施工，通往施工現場的道路應詳細繪出。寬度在2.5m左右道路，要依比例尺表示，依照路面鋪設材料，分出鄉村路、大車路、等外公路、等級公路等級別。

1.4.3 施工范圍內的經濟林、喬木林須繪出明確的邊界。墳地用地類界表示邊界，內部標注墳頭個數。這非常重要。

總之，按照《項目技術設計書》的要求，內業判讀的地物數據幾乎占測區總地物數據的90%，個別在立體下難以判讀的地物，可待外業調繪。

1.5 高精度高程點選取

地形圖上的高程點即標有高程數值的信息點，通常與等高線配合表達地貌特征的高程信息[12]。公路項目，設計方最為關心的是現實的可行性和工期的預知性。因為是山地，施工時會有大量的土方工程，這需要我們提供便于土方計算的精確圖形。所以高程點的選擇便成為重點之一。其步驟是：在EPS點云處理模塊里，導入編輯后的等高線和DOM，疊加上處理后的高精度點云數據,利用“提取高程點”功能，人工提取符合公路項目地形要求的高程注記點。

1.5.1 首先關乎土方量大的山丘、溝壑，即山頂、鞍部、凹地須有高程點和詳細的等高線表示。凹地的高程點位在最低處，且最低一條等高線上應表示向內的示坡線。

1.5.2 梯田的坎上、坎下均要有高程點，長條且有高差變化的梯田，要在梯田的兩端適當選點（如圖4所示），這便于設計出準確的土方量。

1.5.3 參照DOM，在路交叉口處一定要有高程點，（如圖5所示）。沿上山道路200m左右，均勻布高程點。

1.5.4 雙線水系上的水涯線、橋梁、水井等，提取高程點。由于橋梁為架空地物，此處的點云數據有可能已被處理掉，在橋附近選點，極有可能為水涯線高程點，因此需要從橋兩頭路面分別提取高程點，等傾斜求出中間橋面高程點。

1.5.5 水庫的堤壩、溢洪道、水涯線須提取高程點。且三者的高程依次降低，高差在2m至5m不等。

1.5.7有選擇加注計曲線的標高列。高程點除上述的關鍵部位外，余下的要“品”字形分布選取，達到每個方里網10～15個，以滿足設計需求。

圖4 梯田坎高程點的選取（等高線無需打斷）

圖5 道路交叉口高程點選取（等高線應連續）

2.數據內容的必要補充

一幅大比例尺地形圖包括地面詳細的地物和地貌。地物部分，內業并不能完整解釋清楚，還需以下步驟:

2.1 外業補調

測繪行業一貫主張“內業定位，外業定性”。即內業在立體模型下能夠準確定位地物的坐標，性質要外業核實。外業補調就是對內業無法判別的地物如被高大樹木遮蓋的房屋、電桿等進行實地勘察，然后一一確定。本步驟，新舊技術路線均不可缺。經過外業補調，內業的遺漏均會被補充，地物的性質被注明，一套完整的地物數據便形成。

2.2 檢查修改

自動生成的等高線經過編輯和人工提取高程點以后，就形成了測區的基本地貌數據。因為下面幾個因素的影響，這個數據局部是存在問題的。

2.2.1 在植被覆蓋密度高的區域，掃描激光穿透地面受到阻礙，這樣的區域幾乎沒有自然地表的信息。

2.2.2 點云數據分布不均勻。由于掃描方式本身的缺陷，造成數據分布并不均勻。

2.2.3 飛機飛行時由于受到氣流、飛行高度、地形、局部云彩的影響使個別區域可能無掃描光斑，導致存在部分盲區或失真區域。

（1）改革法律課程體系，完善法律課程設置。萬麗紅等人于2001年提出了將衛生法規與護理法納入護理教學體系的構想[4]。因此，建議學校在護生即將進入臨床科室實習之前，將國家醫療護理法律法規納入課程學習。讓護生明確護理工作中潛在的法律問題，如侵權行為、疏忽大意與瀆職、規范的護理文件記錄等，使其了解護理執業過程中的相關法律規定。

由于以上原因，地貌數據必須映射至模型進行立體檢查和修改。應用清華三維EPS的航天遠景模塊，在地物矢量中導入地貌數據，查看地物、地貌的套合情況。

（1）自動生成的等高線在路面上、坎上坎下小幅度迂回的情況，特別是單線路與等高線（如圖6所示）。考慮到在立體采集坎時人工視差，建議此種情況可不做處理。

（2）等高線與水系的套合，在山上的溝壑中，會套合很好。在平地的池塘邊，會出現等高線完全落水、局部落水兩種情況。完全落水的應刪除處理，局部落水可利用水面壓蓋。在堤壩上、居民地院內、立交橋處的閉合等高線應刪除。

圖6 等高線穿坎

3.精度分析

依據測繪標準CH/T9008.1—2010，我們這兩條公路的作業區屬山地類型，比例尺為1∶2000，等高距為2m，等高線插求點高程中誤差按1.5m執行，粗差點按照2倍中誤差執行。

平邑、五蓮等公路地形測量工程項目面積約200Km2，外業實測201個點，等高線插求點與實測點比對，計算差值；此項目無粗差點，最大誤差為-1.5m，最小誤差為 0m，按照公式：M=±SQRT（[△△]/N）,計算得到等高線中誤差為±0.53m，符合規范要求。而在傳統技術流程中，通過立體測量提取高程點，手繪等高線需要大量的人工和周期，精度一般。

4.結束語

綜上所述，機載LiDAR點云數據廣泛應用于大比例尺地形圖生產是完全可行的、高效的。相對于傳統生產技術，工序更加簡化，自動化程度高，縮短了生產周期，尤其在山地、丘陵地區優勢明顯，這種方法能夠節省巨大工作量，降低勞動強度，提高工作效率，數據精度更高，并且可以滿足多種比例尺地形圖的生產要求。

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