機載激光雷達在山區大比例尺地形圖采集中的應用

蔣小海

（廣西地理信息測繪院，廣西柳州 545006）

隨著激光雷達技術發展不斷成熟，可以有效克服植被等地表地物的遮擋，精確地探測真實地形地面信息。采集的點云數據是具有高精度三維坐標信息的地面點數據，利用專業處理軟件對點云數據去噪、分類，可以快速形成高精度的數字表面模型（DSM）及數字高程模型（DEM）。激光雷達技術被廣泛應用在地形測繪、自然災害監測及林業調查等領域中。文章主要闡述機載激光雷達技術在山區大比例尺地形圖測繪中的應用效果，為同類型項目提供一些參考思路。

1 機載激光雷達技術原理

激光雷達技術是激光測距、慣性導航測量（IMU）、差分定位（DGPS）和計算機等多種技術的集成體，按搭載平臺不同可以分為三類，即星載、機載和地基激光雷達。

機載激光雷達主要將機載激光探測和測距系統安裝在無人機、直升機等平臺上進行作業，主要原理為激光測距系統向探測目標主動發射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面各特征點的信息，經過處理生成高密度的三維空間坐標，即點云。

激光點云數據的每個點均具有高精度的三維坐標（X，Y，Z），可從不同視角對這些點云進行三維顯示、量測，計算點云表達目標的表面積、體積等信息，是激光雷達區別于傳統光學遙感和微波遙感數據的最大優點。

2 機載激光雷達應用與發展

對機載激光雷達技術的分析和了解發現，機載激光雷達技術在我國的應用時間較短，相關的基礎技術還需要進一步提升和優化，具有廣闊的發展空間和應用前景。核心技術落后導致一些具有自主知識產權的核心設備和部件缺乏，需要通過國外進口的方式進一步組建和完善機載激光雷達的硬件系統，對一些具有一定激光強度的設備和測距設備，通過國外進口的方式彌補我國技術領域的不足。

隨著科學技術發展，相關科研人員應加大對機載激光雷達技術軟件系統的研究，正視國內技術中需要優化的部分，不斷完善系統的數據處理功能。

相關部門制定了一系列的政策，鼓勵技術人員加強激光雷達數據處理關鍵技術的優化和提升，在復雜地形圖測繪工作中運用無人機載激光雷達技術，不斷提升測繪工作的效果和質量。我國已經具備生產機載激光雷達系統設備的能力，并在很多工作領域實現了技術應用和推廣。技術人員應不斷地推進相關產品走向成熟化，向商品化進行轉變，充分發揮機載激光雷達技術的優勢，為我國的測繪工作提供更好的服務。

3 應用案例

3.1 測區簡介

柳州市魚峰區某地區有一片即將開發的地塊，測區面積約4 km2，該測區地形環境復雜，主要為較陡山區，植被覆蓋較為茂盛，需測制1∶1 000比例尺地形圖。

3.2 設備儀器

本次設備采用南方測繪集團旗下征圖三維公司自主研發的SZT-R1000車機載一體化輕型移動測量系統，該設備將高精度三維激光掃描儀、GNSS衛星定位系統、慣性導航系統、360°全景相機以及控制模塊、時間同步模塊等功能高度集成，融合多種定位模式，可以方便快捷地安裝于汽車和飛機等移動載體上，快速獲取高精度多源數據。

3.3 總體技術方案

項目將激光雷達設備搭載在無人機飛行平臺上，開展本次作業。

總體設計工藝流程如圖1所示。

圖1 總體設計工藝流程

3.4 生產流程

（1）點云分類。

點云分類一般包括粗分類和細分類，粗分類通過特定的算法將常規情況下的地面點與非地面點進行大概分離，針對復雜地形一般需要進行細分類。細分類在粗分類的基礎上對粗分類的結果進行檢查和修改，其內容主要分為兩種情況：應歸分在地面層的點被粗分類到非地面層，如山脊山谷，需要后期通過手動方式將其返回到地面層中；應分離出來的非地面點未粗分類干凈徹底，如植被、建（構）筑物等，需要手動分類干凈。

（2）數字地表模型（DSM）制作。

基于分類后的點云數據，在TerraSolid軟件平臺中，通過設置合理的絕對高程限差值實現噪聲點（如揚塵、云霧點及飛鳥點等非地面信息點）過濾，過濾后的激光點云數據可以直接在TerraSolid軟件平臺生成DSM。

（3）數字高程模型（DEM）制作。

將分類后的地面點點云數據導入TerraScan功能模塊，結合人工檢查、編輯和修改對點云進一步細分類。激光點采集或過濾造成的地形表現不完整的特殊區域（如河流、橋下、陡坎等），可以添加特征線數據初步構建數字高程模型，由TerraScan導出中間格式（GRD）文件，在GlobalMapper軟件中將GRD文件進行批量處理轉換為DEM格式文件。

（4）數字正射影像（DOM）制作。

結合高精度的DEM和高分辨率的數碼影像，在Inpho軟件中完成DOM制作。

（5）等高線制作。

在獲取高精度DEM的基礎上，直接提取1 m等高距的等高線，取代傳統立體采集等高線，可以克服立體采集中植被過于茂密造成的高程不精確弊端。

①使用分類后激光雷達點云成果制作一套XYZ格式的數字高程模型（DEM）。

②使用TerraModel軟件將XYZ格式的DEM點，制作成地表面模型（Surface Model）。

③在地表面模型（Surface Model）基礎上提取等高線、高程點。

④對提取的等高線進行后期編輯、修整，參與DLG的制作。

（6）數字線劃地形圖（DLG）制作與調繪。

無人機載激光雷達原始點云數據點密度大，可以直接在點云上進行DLG繪制。該項目利用點云地形地籍成圖軟件，在點云上通過高程剪裁進行DLG的繪制，獲取建筑物低處的位置信息，通過3D窗口的顯示判別地物情況、房屋層數及飄窗判別。結合測區的數字正射影像圖開展外業調繪工作，進一步確認、細化地物，確保地形圖地理要素的正確性和精度。初步成圖后，根據外業調繪、補測數據進行修改完善，確保所測制地形數據符合相關規范要求。

4 成果精度分析

4.1 精度影響因素

基于機載激光雷達技術獲取地形圖成果，根據作業方式的特點將影響數據成果精度的因素分為差分定位（DGPS）、點云分類誤差以及系統集成誤差。

定位誤差（DGPS）可以采用高等級基站坐標或加密基站等方式提高點云坐標精度；點云分類誤差一般由點云分類錯誤造成，如將非地面點的數據引入，造成數字高程模型（DEM）比實際高，或因為將地面點剔除過多，造成DEM數字高程模型（DEM）偏低。

在低矮喬木及灌木區等點云不易分類的區域或其他特殊地貌區域，需要通過后期多次設置分類算法參數，降低點云分類誤差；系統集成誤差一般由慣性導航測量（IMU）、GPS及激光器等內在設備引起，屬于系統內部誤差，可以在作業前期通過嚴格的設備檢校消除。

4.2 精度檢查結果

本項目按1∶1 000分幅，共有16幅（滿幅），為了充分驗證地形圖精度抽查其中的4幅圖，檢查占比25%。具體檢查方式為針對道路邊線、溝渠等特征地物，主要通過RTK測量的方式進行外業檢查點采集；高程精度檢測全部采用RTK測量方法進行，再與內業采集的高程點進行誤差分析。

4幅圖共計60個點，平地、丘陵地區的平面中，誤差和高程中誤差分別為0.41、0.24 m；在山地區域平面中誤差和高程中誤差分別0.52、0.31 m。根據相關規范要求，基于機載激光雷達技術測制的山區大比例尺地形圖的數學精度符合相關規范要求。

5 結語

應用機載雷達技術開展山區大比例尺地形圖測繪，可以獲取高精度測繪成果，驗證該技術在山區大比例尺地形圖測繪中的可行性。通過實踐表明，該技術在植被茂密山區可以獲得平面點位誤差為0.52 m和高程誤差為0.31 m的1∶1 000比例尺地形圖，有助于推動機載激光雷達技術在山區大比例尺地形圖測繪中的應用。