基于機載激光掃描技術的城市大比例尺建筑地形測繪

王仲磊 龐健

（廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519000）

1 引言

機載激光掃描技術起源于20世紀七八十年代加拿大和美國的一些實驗中。利用機載激光掃描獲取的數據包含空間三維信息與強度信息，在制作數字正射影像、數字高程模型等產品中有著廣泛應用。目前，世界上存在多家較為成熟的機載激光掃描系統，以英國IGI公司的某一機載激光掃描系統為例，可以每秒向外發射超過24000個點來獲取地面的三維點坐標[1]。

目前，國內主要利用機載激光掃描技術開展中小比例尺地形圖測繪，鮮有利用該技術開展大比例尺地形圖測繪[2]。本文以城市區域1∶1000地形圖測繪為例，研究基于機載激光掃描技術的1∶1000大比例尺地形圖中建筑物地形測繪。以直升機平臺搭載華測導航AS900激光掃描系統采集數據，對采集的數據進行建筑物矢量提取、外業調繪、數據編輯，最終完成測區20平方公里范圍內部分建筑物地形測繪。

2 機載激光掃描及數據采集

機載激光掃描的主要工作有：（1）多基站靜態數據采集：在機載激光掃描作業時，在地面基站上架站GNSS接收機與機載移動站GNSS接收機，同步接收衛星信號進行觀測。（2）機載激光掃描數據采集：機載激光掃描前需要進行5分鐘的初始化，初始化完成后，直升機開始升空進行動態初始化。（3）數據拷貝與檢查 ：將掃描數據與機載GNSS接收數據以及基站GNSS數據等拷貝至電腦，查看數據的完整性與正確性。（4）機載激光掃描數據解算：首先利用采集的GNSS數據與基站數據進行飛行軌跡的解算，再通過軌跡將原始點云進行解算[3]。

3 機載激光掃描數據解算

3.1 POS數據解算

本文機載點云數據POS解算采用Inertial Explorer（簡稱IE）后處理軟件，POS數據解算的步驟主要為 ：（1）新建工程 ：新建機載點云掃描工程文件，文件中包含原始點云數據、GNSS數據、IMU數據等。（2）原始數據轉換：將基站GNSS數據與移動站GNSS數據轉換為IE處理軟件可識別的數據，數據為GPB格式。（3）添加基準站、移動站原始數據：將基站GNSS數據與移動站GNSS數據添加到IE處理軟件中進行差分處理。（4）GNSS/INS組合解算：利用GNSS數據與慣導數據對機載運動軌跡進行解算，獲得準確且高精度的軌跡數據。（5）輸出軌跡結果：將解算完成的軌跡數據以固定格式輸出，為點云數據解算提供準確的坐標位置。

3.2 點云數據解算

機載點云數據的解算流程為：（1）準備解算好的POS數據、激光雷達數據和系統檢校數據。（2）在機載點云解算軟件中新建工程，添加POS數據與原始激光雷達數據。（3）通過軌跡數據與采集的原始點云數據進行點云數據解算，生成機載三維點云，坐標系統為WGS84，123°中央經線高斯投影坐標，大地高系統。（4）整理影像，通過影像為點云上色，制作彩色點云[4]。圖1為通過解算且上色后得到的機載點云數據，解算后得到的點云密度約為750 pt/m2。

圖1 解算后得到的機載點云數據

4 大比例尺建筑物地形制作

利用機載激光掃描技術進行大比例尺地形圖建筑物地形制作采用先內后外的作業模式，即先利用機載點云數據進行內業要素提取，再綜合測圖成果進行調繪，最后進行數據編輯；對點云缺漏與被遮擋區域，通過外業數據采集與內業編輯的方式進行補測[5]。

4.1 矢量數據采集

4.1.1 矢量數據采集流程

以圖2為例，利用機載點云數據進行建筑物矢量提取。采集矢量數據時將84坐標系點云轉換為本地坐標系點云。通過剖面不斷調整高程，確定建（構）筑物的有效長邊，再利用線相交功能將相鄰長邊進行連接，得到相應建筑物角點信息；短邊的獲取依據有效點云，根據房屋短邊特征連接到房屋長邊。

圖2 根據機載點云提取建（構）筑物信息

4.2 綜合補測與調繪

制定嚴格的補測與調繪計劃，首先研究測區概況與地形特征，安排人員依照制定的路線進行調繪。調繪前應對通過機載點云采集到的矢量數據進行檢查，檢查數據的表達是否合理、有無缺漏；調繪過程中應做到走到、看到、判讀準確，應用合適的符號進行標注，做到心中有數[6]。

4.3 內業數據編輯

數據編輯應保證不失真、主次有別、層次分明。添加屬性信息主要包括資料收集和現場調繪兩部分，兩種方法相互結合使用；從相關部門收集各類已有資料，對資料進行梳理和電子化，提取需要的屬性信息，并將原始資料進行歸檔；外業對地理要素進行屬性調查，同時結合資料收集的屬性信息，內業梳理完成后把屬性添加至對應的要素中。圖3為經過外業調繪與內業數據編輯完成的大比例尺地形圖，其中，建筑物地形使用機載點云數據采集。

圖3 編輯完成的地形圖

5 精度分析與評價

對測區內制作完成的200幅1∶1000地形圖進行精度檢查。精度檢查主要分為6個批次，首先利用CORS測量獲取圖根點，再通過全站儀在圖根點上架站，后視定向后采集建筑物角點、道路特征點的平面坐標，得到地形圖平面精度統計。地形圖的精度統計結果如表1所示。

表1 精度統計表

按照《城市測量規范》的要求，在平地、丘陵區域，1∶1000地形圖規定平面中誤差不得超過0.5m；在山地區域，平面中誤差不得超過0.75m。本文利用CORS結合全站儀進行外業實測，對圖上特征點進行精度檢測，其中分6個批次對60幅圖進行抽樣檢查，共檢測了1800個平面點，其中檢測200個建筑物平面點。檢測結果為：地形圖整體平面中誤差為0.26m，建筑物平面中誤差為0.16m，由于測區位于平地、丘陵區，滿足平面中誤差0.5m的要求，表明利用機載點云結合外業補測的方式測繪建筑物是切實可行的。

6 結論

對于城市區域的大比例尺測圖，由于建筑物相對密集，通視很差，利用傳統全站儀地形測繪雖精度較高，但耗時耗力，外業工作量大。機載激光掃描技術由空間定位、激光掃描與航空攝影等多種技術組成，作業時由于無信號遮擋，無需通視條件，可以高效獲取地面高精度三維信息。本文以機載點云為源數據進行城市大比例尺地形圖建筑物地形測繪，并且通過外業檢驗點驗證了精度，表明利用機載點云數據進行建筑物測繪的可行性。