基于機載激光掃描技術的城市大比例尺地形測繪

朱增鋒 李明月 付云強

（1.河北利宇資源環境科技有限公司,河北 保定 071000;2.河北省區域地質調查院,河北 廊坊 065000）

0.引言

機載激光掃描技術起源于二十世紀七八十年代的加拿大和美國。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的應用。目前世界上多家公司有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]。

近年來，機載激光掃描技術逐漸成熟，其在石油、水利、電力、國土資源調查等多行業有著廣泛的應用。目前國內利用機載激光掃描技術進行地形圖測繪的主要應用為中小比例尺地形圖測繪，鮮有利用機載激光掃描技術進行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，研究基于機載掃描技術的1∶1000大比例尺地形圖測繪。以直升機平臺搭載華測導航AS900激光掃描系統進行數據采集，對采集得到的數據進行矢量提取、外業調繪、數據編輯，最終制作完成測區20平方公里的地形圖測繪。本文對利用機載激光掃描技術在城市1∶1000地形圖中的技術介紹與應用，可供同類項目借鑒。

1.機載激光掃描技術

機載激光掃描技術是將激光雷達（LiDAR）、GNSS接收機、慣性測量系統（INS）、CCD相機以及控制系統等安裝在飛行器上，飛行過程中GNSS接收機接收衛星信號，激光雷達對地觀測，通過反射回來的信息來獲取地面實體要素的三維坐標信息，進而對三維信息進行加工與處理的技術[3]。機載激光掃描技術（如圖1所示）：

圖1 機載激光掃描技術

激光掃描技術通過主動式方法得到外界環境信息，不會受到光線、日照等環境的影響。通過機載激光掃描技術獲取點云數據可以彌補航攝影像不足帶來的影響。本文將通過機載激光點云結合數字正射影像繪制大比例尺地形圖，探索整個流程與技術路線，對該方法在城市大范圍區域作業的可行性與成果精度進行評價。

2.機載激光掃描及數據采集的作業流程

機載激光掃描主要的準備工作：申請空域、基站測設、直升機型號確定、機載激光系統載荷架的制作、設計技術參數、確認飛行技術要求、制作領航表、系統標定、飛行調試和加油、系統的安裝調試和通電測試。本文以測區機載激光掃描為例，進行作業流程的介紹：

（1）多基站靜態數據采集：在機載激光掃描作業的同時，在地面基站上架設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，將采樣頻率設置為1H z，其中地面接收機采集數據的時間需包含機載掃面與靜止的整個時間段；

（2）機載激光掃描數據采集：機載激光掃面前需要進行5分鐘的初始化，初始化完成以后，直升機開始升空進行動態初始化，緊接著按照預定路線進行數據采集，采集完成落地以后還要進行5分鐘的系統靜止；

（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數據等拷貝至電腦中，檢查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，并且利用軌跡數據與影像數據制作DOM，最后將機載點云數據與影像數據進行匹配，獲取機載激光掃描數據。

機載激光掃描系統激光掃描頭（如圖2所示）：

圖2 機載激光掃描頭

3.機載激光掃描數據解算

3.1 POS軌跡數據數據解算

完成點云采集后，使用Inertial Explorer點云處理軟件進行數據解算：

（1）新建工程：新建點云工程文件，文件中包含外業采集各類數據，包括IMU數據、GNSS數據等；

（2）數據轉換：將外業采集數據格式轉為解算軟件可識別數據格式；

（3）數據加載：將外野采集GNSS數據加載至解算軟件中進行差分解算；

（4）GNSS/INS組合解算：通過GNSS數據解算機載軌跡數據，獲得高精度POS數據；

（5）軌跡輸出：將包含點云準確位置坐標的軌跡數據以規定格式輸出。

Inertial Explorer點云處理軟件界面（如圖3所示）：

圖3 點云處理軟件界面

POS數據處理的要求為：

（1）選擇距離掃描架次最近的基站數據，聯合基站觀測的GNSS數據與移動站GNSS數據進行軌跡解算，使用后處理GNSS/INS緊組合模式進行處理，獲取高精度飛行軌跡；

（2）輸出POS數據格式為WGS84橢球下123°中央經線的高斯投影坐標，高程為大地高。

本文解算得到的機載軌跡數據（如圖4所示）：

圖4 解算得到的機載軌跡數據

3.2 點云數據解算

機載點云數據的解算流程：

（1）新建工程：在解算軟件中新建工程，將點云數據解算需要的原始點云數據以及POS數據加載至工程中；

（2）點云解算：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；

（3）點云著色：將采集的影像數據與點云數據進行匹配，得到具有彩色信息的點云數據。

本文解算得到的彩色機載點云數據（如圖5所示）：

4.大比例尺地形圖制作

利用機載激光掃描進行大比例尺地形圖制作采用先內后外的作業模式，即先利用點云和影像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，按先外業采集后內業編輯的方式進行補測。本文設計大比例尺地形圖制作流程（如圖6所示）：

圖6 地形圖制作流程

基于機載點云數據采集空間環境中各種點、線、面要素，人工獲取各要素的平面與高程信息及相關空間屬性信息。

4.1 矢量數據采集

以從整體到局部、從清晰到模糊為原則進行大比例尺地形數據提取，對于點云中無法辨識的地物，應進行外業補測與調繪；在進行地物提取時應根據數據庫中地物的編碼進行要素編碼、屬性信息的賦予；矢量提取應保證數學精度，基于點云數據與影像數據的物種類的識別與地物提取時，不同地物提取相應的位置，如點狀地物提取定位點。

以機載點云提取建、構筑物信息為例，利用機載點云數據進行建筑物矢量提取，提取過程（如圖7所示）。通過不斷地調整剖面高程，首先確定建筑物場邊，其次將所有提取長邊進行連接，最后根據短邊與長邊的關系基于點云數據獲取短邊。

圖7 機載點云提取建、構筑物信息

通過軟件平臺綜合利用機載點云、影像、原有矢量成果等多種數據，實現要素的分類提取，如，范圍內建筑物、內部道路、街坊內部主要地形數據等，包括建筑物屋頂等信息。除采集實體名稱、平面位置、采集手段、數據來源等公共屬性字段，還應采集實體自身必要屬性字段，如所屬樓層、名稱等屬性。

4.2 綜合補測與調繪

對于點云數據中無法分辨的地物種類以及位置不明確的地物，需要進行實地外業調繪與補測進行地形數據的補充。首先應根據調繪區域的地形特征規劃好調繪路線，并且指定相關人員進行調繪。調繪前應根據點云數據與影像數據檢查需調繪地形圖有無缺漏等錯誤；調繪過程中應根據合適的符號進行圖上標注，便于內業數據編輯。

對于機載激光掃描后變化的地物，應該在圖上標記清楚，測區內進行調繪時應保證調繪區域的完整。不同塊的測區之間應接邊，要素的屬性調繪應按照規定執行，對于屬性內容調整的，應在技術設計中說明。調繪過程中在圖上標記的符號、文字應方便內業人員進行判讀，并按照統一的規則進行標注，具體要求也要在技術設計中明確，必要時可用圖例加以說明。

4.3 內業數據編輯

以基于點云數據與影像數據提取完成的地形圖為底圖，結合外業調繪、補測的數據進行內業編輯工作，最終得到完整的大比例尺地形圖。某建筑物數據編輯過程（如圖8所示）：

圖8 建筑物數據編輯

數據編輯時應堅持主次有別、層次分明的原則：通過資料收集與現場調繪完成所有地物的屬性添加工作；其中資料收集主要是通過對從有關部門收集到的資料進行電子化梳理，提取有用屬性信息；現場調繪主要是指實地對要素屬性進行調查，內業梳理后將屬性信息添加至對應要素中。本文最終完成編輯的地形圖（如圖9所示）：

圖9 編輯完成的地形圖

5.地形圖精度分析與評價

為了檢驗基于機載點云數據進行大比例尺地形圖制作的可靠性，通過傳統高精度檢驗點采集方式對制作完成的大比例尺地形圖進行精度檢驗。檢驗點采集方式為首先通過CORS觀測得到測區圖根點，再使用全站儀以圖根點為控制點，采集建筑物角點、桿類點為檢驗點。將采集地物檢驗點與圖上同名點進行坐標比對，得到地形圖的平面精度與高程精度統計，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地形圖平面中誤差不得超過0.5m，高程中誤差不得超過0.2m；在山地區域，平面中誤差不得超過0.75m，高程中誤差不得超過0.7m。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5個批次對60幅圖進行抽樣檢查，共檢測了1800個平面點和1800個高程點。檢測結果為：平面中誤差為0.26m，高程中誤差為0.16m，由于測區位于平地、丘陵區，滿足平面0.5m、高程0.2m的精度要求。從檢測結果看，利用機載激光掃描技術進行城市大比例尺測圖的數學精度可以達到相關規范的精度要求。

6.結束語

對于城市區域的大比例尺地形圖制作，由于傳統測圖方式存在周期長、人力成本高、數據采集困難等問題，已逐漸無法滿足新形勢下的地形測繪需求。作為一種可快速、高效采集空間數據的新型測繪技術，機載激光掃描技術的出現為大比例尺地形圖測繪帶來了新的作業方式。本文以影像數據和機載點云為源數據進行城市大比例尺地形圖測繪，并且通過外業檢驗點驗證了成圖精度，有效縮短了工期，節約了成本，表明通過機載激光掃描技術進行城市大比例尺測圖是切實可行的?？傊?，隨著科技的不斷發展，機載激光掃描技術將會在大比例尺地形測繪中扮演越來越重要的角色。