機載激光雷達技術在大比例尺地形測繪中應用研究

陳則剛，劉 帥，胡鴻毅

（湖南中核建設工程有限公司，湖南 長沙 410119）

地形測量中隨著我們對空間數據信息的精準度要求越來越高。傳統的攝影測量技術已經無法滿足地形測量實際需求，在此背景下機載激光雷達攝影技術應運而生，該項技術的應用極大提高了空間數據的獲取率，測繪工作效率得到了提升。機載激光雷達技術的發展與應用為區域空間地理信息準確獲取提供了新的技術手段。傳統測量技術只能獲取單一數據，而采用新的測繪技術可連續獲得地形測量數據，提升了測繪數據獲取速度及精度，例如地形數字模型、測量物體的三維坐標，結合數碼影像技術，可將獲取的數據按需求進行分類，并制作出正射影像圖、縱橫斷面圖，在攝影測量與遙感領域及工程測繪等領域具有廣闊的發展前景和應用需求。

1 機載激光雷達技術原理

機 載LiDAR(Light Laser Detection and Ranging) 是激光探測及測距系統的簡稱。機載激光雷達(Light Detection And Ranging,LIDAR)是將激光用于回波測距和定向,并通過位置、徑向速度計物體反射特性等信息來識別目標。它體現了特殊的發射、掃描、接收和信號處理技術。機載激光雷達技術起源于傳統的工程測量中的激光測距技術,是傳統雷達技術與現代激光技術結合的產物,是遙感測量領域的一門新興技術。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備。其中主動傳感系統（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區域三維定位與成像結果。所設計的機載激光雷達是一個具備長距離、高速度的測量設備，此設備的內部運行系統主要是由高分辨率數碼照相機、激光測高儀、IMU、定位裝置構成，為實現復雜地形區的同步測量。將獲取的測量數據輸入到數據計算軟件中，得到高密度激光點云數值，以確保所得的數據源是精準的。這種測量技術與遙感測量數據相比測量覆蓋范圍更廣，屬于一種特殊的數據獲取方式。

在測高作業中合理采用機載LIDAR 系統，能夠實現不同航高精準測量作業，測量精度誤差控制在0.5m 以內，測量高程范圍在5cm～30cm 之間，機載激光雷達測量地面分辨率達到最高級。因此可以得出機載雷達LIDAR 系統實現了測量數據定位，這一技術上的突破能夠為工程地理信息測繪工作提供了精準的信息，有效提高了測量工作效率。

2 激光雷達技術優勢

2.1 無需地面控制點，直接獲取地理參考坐標

在使用過程中，依托于GNSS+IMU 的組合定位傳感系統，直接獲取到地面數據的絕對坐標，無需地面控制點，相比可見光成像系統，避免了刺點的繁冗工作，極大地提升了作業效率，簡化作業難度，提升外業效率。

2.2 精度高，滿足大比例尺測圖規范要求

經過大量的測試和用戶實際使用，機載激光雷達系統獲取的點云數據與實際RTK 測量的數據及測圖，偏差的絕對精度最高可達5cm 以內，滿足1:500 測圖需求。針對更高精度項目需求，可通過控制糾正的方法來進一步提高。

2.3 多平臺，多種載體解決復雜地形測量

激光雷達系統可搭載到無人機、汽車、電動車、背包、輪船等多種載體，實現一機多用，不受空域禁飛影響，且不同平臺數據可以無縫疊加，從而保證數據的完整性。

針對植被覆蓋不密，面積較大的區域，可采用無人機機載進行快速高效率掃描，后處理過程中可借助CoProcess 軟件自動分類出地面的，剔除植被，準確率達到99%以上；針對植被覆蓋較密集的區域，但GPS 信號也比較好的區域，可將激光雷達系統放于車載（如有路）或背包（無路），進行地面數據采集，采集更快剛方便，此時一般需要進行精度糾正；針對植被完全覆蓋的地形，采用SLAM 背包測量系統，解決無GPS 信號或GPS 信號遮擋的問題。

2.4 效率高，快速解決工期緊張的難題

無人機機載激光雷達系統一個架次40 分鐘可飛0.4～0.5 平方公里面狀地形/6 公里帶狀道路，作為車載模式時每天可采集100 公里以上帶狀數據。針對復雜地形，采用“無人機+車載+背包”多種方式融合的測量手段，可以極大地提高效率；并且激光掃描是一種無須外界光照條件的測量手段，在夜間也能進行測量，“日夜兼程”，確保工期緊張的情況下按時完成任務。某一地區的地籍測量面積公約102356 m2。

表1 應用不同測量手段進行地形測量的對比結果

3 機載雷達在大比例尺地形圖作業流程

3.1 實施方案

項目實施方案分為以下幾個過程：

現場踏勘→線路規劃→基站架設→設備安裝→數據采集→結束采集→數據預處理→數據后處理→項目總結。

圖1 實施方案

3.2 作業流程

3.2.1 現場踏勘

通過現場踏勘，了解整個測區的情況，需要了解的內容有測區范圍、成果需求、地形狀況、天氣狀況、電力線路走向、桿塔分布等情況，從而為線路規劃準備提供依據。

3.2.2 線路規劃

根據單位要求進行飛行線路的規劃，選擇基站架設位置，安排好飛手、地面站操控人員、基站架設人員、配合人員等，并且規劃好每個人員的工作職責和工作范圍。

圖2 線路規劃界面

3.2.3 基站架設

使用華測I70多星座GNSS系統作為基站，架設與測區附近，整平對中后量取儀器高，然后開機，將設備切換為靜態測量模式，設置采樣頻率為5HZ。基站靜態數據采集時間需要長于機載雷達工作時間，或者至少與其同步，保證機載雷達自身的靜態精度。

3.2.4 設備安裝

先安裝無人機，展開機臂、固定卡扣，然后將雷達設備安裝與云臺上，再然后安放電池，最后再接通電源開機。一般新到一處地方，先要進行無掛載飛行測試，確認系統穩定后才開始正常的掛載飛行，以保障飛行安全。

3.2.5 數據采集

設備開機后打開手持端采集軟件，設置好參數，點擊開始采集按鈕，設備即進入采集狀態，通過軟件界面可實時遠程查看各傳感器狀態是否正常，可查看數據是否正常記錄。

此時由飛控人員操作無人機即可。飛行方式有自動和手動兩種，一般平坦地區采用自動方式，按照既定的規劃線路自動飛行；如果是山區，地區起伏較大，一般使用人工手控方式進行飛行，并且盡量在目測范圍之內，以防止撞山。

3.2.6 數據處理

（1）數據預處理：使用GNSS/INS 處理軟件，將GNSS 數據、IMU 數據導入軟件中進行解算，生成高精度的軌跡數據，通過軟件提供窗口判斷軌跡質量。

查看位置精度曲線圖，可以看到解算出的軌跡精度很高，在2cm 以內。

（2）生成點云：采用自主研發的激光點云處理軟件，該軟件采用一鍵操作即可實現一鍵解析，最終得到LAS 格式激光點云，同時也對影像進行同步處理。

3.3 精度驗證

使用RTK 對地面的道路線、水井蓋、臺階等進行測量點，共測20 個點，通過將點云提取的數據與RTK 測量的控制點數據比對，進行精度驗證。平面坐標對比信息及偏差統計見下。

通過對比分析，本次測試平面坐標中誤差為4.6cm。

使用RTK 聯測水準點，再結合RTK 自主打點，共31 個點進行高程對比。在點云數據中找到對應點位，提取高程值進行對比。

對比成果如下表所示。

通過對比分析，本次測試高程中誤差4.2cm。

4 結語

通過上述案例可以看出，采用機載激光雷達技術可以滿足大比例尺地形測繪精度要求，在滿足精度的基礎上，激光雷達技術完成影像數據快速獲取，與傳統的航空攝影測量相比本文所用測量技術可廣泛采集地表數據，此種技術是繼GPS 測量技術之后又一項技術革新，是高精度逆向三維建模及重構技術的革命,是進行大區域空間探測的利器,是數字中國及各行業數字化的必由之路,將對電網、水利、交通、規劃、國土、礦山、海洋、氣象、農業、林業、古跡保護等各個領域產生深遠影響。