機載激光雷達測量技術及應用

2019-07-25 09:32:14何延松王麗芬

北方交通 2019年7期

何延松，王麗芬

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司沈陽市 110166; 2.綿陽天眼激光科技有限公司綿陽市 621000)

1 概述

機載激光雷達測量技術的出現和發展，為地理空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，這項技術的出現是繼全球定位系統(GPS)以來在遙感測繪領域的又一場技術革命。

機載激光雷達系統(LIDAR_Light Detection And Ranging)是集激光掃描儀、POS定位定姿系統、高分辨率數碼相機、嵌入式計算機于一體的新型主動式快速測量系統，能夠快速、精確地獲取地表三維空間信息和真彩色影像。這些數據可廣泛應用于公路、鐵路、電力、石油、國土、應急測繪、林業、文物保護等多個領域。

2 工程應用

2.1 任務情況

通過機載激光雷達航飛，對西南地區某高速進行輕小型機載激光雷達(lidar)數據航飛與數據處理，得到1∶500的激光分類點云、正射影像模型(DOM)、數字高程模型(DEM)、1∶2000數字線劃圖(DLG)技術服務工作。

2.2 作業內容

激光雷達掃描測繪項目測區約160km2，成圖面積約為170km2。經數據處理得到：

(1)點云

提供工程坐標系下分類后的分幅點云，點云格式為LAS格式。點云分類后成果需包含地面、橋梁、其他三個類別，類別編碼在TerraSolid軟件里分別為2、6、1。激光點云分類時不要去除相鄰航帶重疊區。

(2)DLG

DLG文件使用DWG格式未加密文件，DWG文件版本采用CAD2004，圖層符號編碼依據GBT 20257.1-2017國家基本比例尺地圖圖式執行，圖形統一采用米為單位。DLG中涉及到的非標準字庫和形文件隨地形圖一并提供。地形圖所采用的工程坐標系統定義、成圖時間等信息統一圖外注記。所使用的控制點展點在地形圖上，地形圖上加注地名注記。DLG以線路軸線方向直線長度每隔5km左右進行分幅。

(3)DOM

DOM采用24位真彩色TIFF格式帶TFW坐標文件，TIFF文件均不寫文件頭。DOM的地面分辨率為10cm，背景色(范圍線之外的部分和范圍線內個別沒數據的部分)統一使用黑色，圖幅分幅采用1km×1km分幅，按左下角坐標命名，并隨DOM一并提供分幅結合圖，相鄰圖幅之間的重疊區域為20m。DOM直接在工程坐標系下糾正鑲嵌分幅，避免二次重采樣。

(4)DEM

DEM采用32位浮點型TIFF格式帶TFW坐標文件，TIFF文件均不寫文件頭。DEM格網間距0.5m，DEM分幅采用與DOM一致的分幅，相鄰圖幅之間的重疊區域為20m。

2.3 技術標準

本項目執行的技術標準如表1所示：

表1 技術標準

2.4 機載激光雷達系統

本項目采用小型機載激光雷達系統，具體技術指標如表2所示：

表2 SE-J1200A型激光雷達主要技術參數

2.5 點云數據生產方案

2.5.1點云數據計算

(1)解算飛行航跡

通過地面基準站的GPS數據與機載GPS數據的差分GPS解算，精確確定航攝過程中飛機的航跡，再與IMU數據進行耦合處理，得到飛機的姿態信息，最后進行平滑處理，得到飛機在飛行過程中的位置和姿態信息。

(2)三維激光點云的計算

利用數據預處理軟件，對飛機航跡數據、激光測距數據及POS數據進行聯合處理，得到各個測點的(X,Y,Z)坐標數據，即三維激光點云數據，文件格式為*.las。

(3)計算改正數

由于各種誤差的存在和影響，使得數據存在系統誤差和隨機誤差，造成平面誤差和高程誤差，使用terrasolid中點云處理模塊分出每條航跡的地面激光點，再用terrasolid中的點云匹配模塊匹配地面激光點云，通過重疊部分的激光點云計算得到航跡間的改正數來消除這種不符值。

(4)數據的噪聲和異常值剔除

由于水體對激光的吸收、鏡面反射以及其他原因，使有些地面點無明顯的回波信號，以至于得不到測距值，另外由于電路、飛鳥、局部地形等原因，也會使數據中產生異常距離值，我們必須剔除這些錯誤的值，即粗差點。

2.5.2點云數據質量檢查

點云數據質量檢查主要檢查點云密度、點云高程精度、點云平面精度及航帶間公共點較差。

點密度采用TerraSolid軟件的TerraScan模塊進行檢查，搜索范圍設定500m；點云高程精度及平面精度采用外業采集的地物特征點應用TerraScan軟件進行統計分析，計算最大誤差、最小誤差及中誤差；航帶間公共點較差結合TerraScan和TerraMatch軟件選擇同一明顯地物，如尖角房屋，不同航線獲取的點云數據用不同顏色顯示，通過俯視圖及側面截圖測量確定航帶公共點的平面誤差及高程誤差。

2.6 DEM數據生產方案

2.6.1DEM數據要求

DEM采樣間隔：0.5m；

DEM數據格式：*.tiff；

成圖范圍：按測區范圍；

DEM精度要求和檢查：高程中誤差不大于±0.75m。

2.6.2DEM數據生產

經過預處理得到的激光點云地面數據及激光點云地表數據都在同一層，需要通過激光點云分類軟件對激光點云數據進行精確分類，通過插值擬合，生成高精度DEM，并且要進行嚴格的質量檢查，確保最終數據成果DEM的質量，DEM數據生產作業流程如圖1所示。

圖1 DEM數據生產流程

(1)激光點云分類

經過預處理的激光地面數據及激光地表數據都在同一層，為方便我們管理和數據進一步的處理，需要把不同類的點云進行濾波處理放在不同圖層中，根據委托方對數據的用途，需要用專業軟件對激光點云進行精確分類處理，分別為默認點、地面點、植被點和建筑點等。精確分類的激光點云數據質量，對于后期數據成果精度至關重要，需要對分類的激光點云數據進行自檢、互檢以及質檢部的最終檢查才能進行后續的數據處理工作。

(2)DEM的自動生成

用Terrasolid軟件對激光點云數據進行分類處理后，選擇地面激光點，保證其全部高程點貼近地表面，則自動生成數字高程模型。

(3)精度檢查與評價

通過外業采集的檢查點高程值與內插出的DEM高程值作比較，評價DEM精度。

2.6.3DEM質量檢查

(1) DEM質量檢查內容

DEM數據格式；

DEM高程有無異常值；

DEM精度；

DEM的坐標系統、投影方法及高程基準；

上交的成果及文檔。

(2)DEM質量檢查方法

結合激光點云數據，分類激光點云數據與制作生成的DEM數據進行對比檢查；

結合外業檢查點數據與DEM數據成果進行對比檢查。

2.7 DOM數據生產方案

2.7.1DOM數據標準

DOM影像分辨率：0.1m；

DOM數據格式：帶tfw文件的tiff 格式；

DOM成圖范圍：按測區范圍。

2.7.2DOM數據生產

DOM數據生成是在Microstation軟件中加載Terraphoto和Terrascan模塊，對激光雷達系統同時獲取的真彩色數碼影像在空三加密后利用激光點云生成的地面模型進行正射糾正，再通過該軟件對影像進行拼接和整體勻色，最后進行裁切分副，得到要求圖幅大小的正射影像成果，DOM數據生產作業流程如圖2所示：

圖2 DOM數據生產流程

(1)正射糾正和變形檢查

TerraPhoto是TerraSolid公司利用地面激光點云作為映射面對航空影像進行正射糾正，生產正射影像的軟件，是專門用于在LiDAR系統飛行時產生的影像做正射糾正的，整個糾正過程可以不使用相片加密控制點條件下執行。

利用TerraPhoto影像糾正模塊，輸入相關參數，地面分辨率為0.10m，對影像進行連接點添加、空三平差計算以及單片數字微分糾正。

對糾正后的影像進行質量檢查，檢查影像是否失真、變形、發虛、拉花等現象，尤其是房屋、橋梁和道路的扭曲變形等。針對不同的現象，采用不同的方法進行修整處理，如橋梁影像的變形，采取編輯DEM、分別糾正地面影像和橋梁，然后再拼接的方法解決，既可消除影像變形又保證了影像的幾何精度。

(2)影像鑲嵌及勻光勻色

原始照片獲取格式為IIQ無損格式，使用Capture One軟件將格式轉換到JPG，在格式轉換過程中，可同時進行單張照片的勻光勻色處理。

通過單張影像的數字微分糾正，得到單幅糾正的正射影像，還需要將多個單片糾正影像通過鑲嵌獲取大面積的數字正射影像；同時由于每張影像的獲取時間不同，存在色調、飽和度、對比度等不一致的情況，需通過勻光勻色處理，使得整個測區的正射影像色調基本一致、色彩豐富。

正射影像的鑲嵌、分幅采用EPT2.0軟件。在該處理過程中需注意在鑲嵌過程中進行拼接線的編輯，使得拼接線不穿越建筑物，拼接線盡量沿線狀地物分布，從而避免成果數據中地物的錯位、斷裂等現象。

2.7.3DOM質量檢查

(1)DOM質量檢查內容

DOM地面分辨率及起止點坐標；

DOM影像質量；

DOM接邊的正確性；

DOM的平面位置精度；

DOM的坐標系統及投影；

上交的成果及文檔。

(2)DOM質量檢查方法

把測區所有正射影像導入到EPT2軟件中，查看整個測區的影像，有無明顯的影像變形、影像信息缺失和影像錯位,影像圖應清晰、反差適中、色調均勻；影像不應有重影、模糊或紋理斷裂等現象，影像應連續完整，灰度無明顯不同；對于彩色影像，色彩應平衡一致；覆蓋范圍內的影像應無漏洞，導入外業RTK測量的特征點坐標，軟件自動根據拾取位置和測量點位坐標對比，檢查影像的平面精度并生成精度報告。