基于PPK的機載LiDAR在大比例尺地形圖測繪中的應用

胡錦榮，劉濤，李甜，劉敏

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205)

1 引 言

傳統(tǒng)全站儀、RTK測量方式在地勢復雜、植被茂密、交通不便等自然條件受限的區(qū)域進行地形測量具有效率低、周期長、成本高、碎部點采集密度有限、數(shù)據(jù)種類單一、作業(yè)安全風險高等特點[1]。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術(shù)，目前已成為高時空分辨率三維對地觀測的主要手段[2]。近年來，基于動態(tài)后處理差分技術(shù)(PPK)的低空旋翼無人機機載激光雷達(LiDAR)測量系統(tǒng)被廣泛應用于大比例尺地形圖測繪中。

2 機載LiDAR系統(tǒng)測量原理

三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，從而可以計算目標點P與掃描儀器中心的距離S，同時控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測值α和β，如圖1所示。依據(jù)式(1)可得出目標點P的三維坐標[3]。

圖1 機載激光系統(tǒng)對地定位原理

(1)

3 機載LiDAR系統(tǒng)地形圖測繪應用

3.1 項目概況

測區(qū)位于重慶市東北部，地處大巴山弧形構(gòu)造、川東褶皺帶及川鄂湘黔隆褶帶三大構(gòu)造體系結(jié)合部。長江及其支流呈南北向強烈下切，地貌上呈深谷和中低山相間形態(tài)，地形起伏大、坡度陡。區(qū)內(nèi)出露地層為沉積巖地層，巖層軟硬相間，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，構(gòu)造地質(zhì)背景復雜。本項目選取測區(qū)南部沿江地區(qū)范圍作為研究區(qū)域。

3.2 技術(shù)設計

根據(jù)本項目的地形條件決定采用多旋翼無人機搭載ARS-1000三維激光掃描儀，利用海達航線規(guī)劃軟件規(guī)劃航線采集數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過POS解算和數(shù)據(jù)融合生成las格式的成果點云，在Terrasolid軟件中進行去噪和分類，得到地面點的點云數(shù)據(jù)，生成最終的DEM成果和繪制等高線，分類完成的點云配合正射影像進行地物采集和編輯，包含建構(gòu)筑物、地物和地形要素的圖件經(jīng)過整飾得到大比例尺地形圖成果，生產(chǎn)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 機載LiDAR大比例尺地形圖生產(chǎn)技術(shù)路線圖

3.3 航飛采集

綜合考慮測區(qū)高差、點云密度、機載激光雷達設備性能等因素，確定設備檔位等參數(shù)和飛行高度(相對航高)。本項目選擇起降點在山頂處，選用合適的擋位進行點云數(shù)據(jù)獲取。航線規(guī)劃如圖3所示。

圖3 本項目航線規(guī)劃方案

3.4 后差分處理和正射拼接

運用Inertial Explorer軟件進行PPK后差分解算POS數(shù)據(jù)，POS解算采用基站數(shù)據(jù)和移動站GPS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)組合解算，并輸出點云融合階段需要使用的高精度定位定姿數(shù)據(jù)[4]。POS解算操作主要包括基站數(shù)據(jù)預處理和軌跡解算兩部分。基站數(shù)據(jù)預處理是將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應格式，然后將移動站的數(shù)據(jù)與處理之后的基站數(shù)據(jù)進行組合解算，得到高精度定位定姿數(shù)據(jù)和航線軌跡如圖4、圖5所示，同時導出高精度相機照片的外方位元素。

圖4 航線軌跡后差分解算結(jié)果

圖5 后差分POS內(nèi)符合精度結(jié)果

點云融合是將解算后的POS定位定姿數(shù)據(jù)與掃描儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)時間同步生成帶有絕對坐標的點云數(shù)據(jù)，融合后生成的點云數(shù)據(jù)是后續(xù)進行點云濾波和分類的基礎數(shù)據(jù)。融合生成的點云如圖6、圖7所示：

圖6 按高程渲染顯示

圖7 按強度渲染顯示

將原始影像導入Pix4dmapper軟件，經(jīng)過空三加密解算，勾選軟件全自動生產(chǎn)DOM選項，軟件運行特征點提取和匹配操作，拼接得到測區(qū)的正射影像圖8所示，通過Global Mapper軟件將點云進行正射影像紋理著色如圖9所示：

圖8 DOM成果

圖9 點云影像著色效果

3.5 濾波分類

本項目采用TerraSolid軟件對融合后的激光點云進行粗分類和精細分類處理。

首先利用濾波算法對點云數(shù)據(jù)進行濾波粗分類處理，剔除非地表數(shù)據(jù)，之后人工干預精細分類以獲取準確純地表點云數(shù)據(jù)。得到地面點點云如圖10所示：

圖10 地面點點云

3.6 生成DEM和等高線

基于地表點云數(shù)據(jù)，利用Terrasolid軟件自動化生成DEM成果和等高線成果，分別如圖11、圖12所示。

圖11 DEM成果

圖12 等高線

3.7 地物采編生成DLG

數(shù)字地形圖中等高線以及高程點均從激光點云中獲取，其余要素如水系、交通、植被土質(zhì)等要素可由點云疊加DOM進行繪制。

測圖軟件基于真三維立體環(huán)境測圖，支持點云數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)同步加載顯示，在此基礎上通過二三維窗口聯(lián)動進行地物采集；對于某一墻體點云掃描不完整的情況，可以通過點云切片快速定位來使該面的點云顯現(xiàn)出來便于繪圖；對于不易捕捉的房角點，也可以采用線相交方式來繪制，采集界面如圖13所示。

圖13 二三維窗口聯(lián)動點云切片測圖

將地物圖形與等高線圖形進行疊加、編輯，同時由于切除了地物部分數(shù)據(jù)，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對照照片及點云數(shù)據(jù)，手動進行修改，最后加上高程注記，生成圖示圖例圖廓，進行局部修飾[5]得到大比例尺地形圖成果，如圖14、圖15所示。

圖14 DLG成果

圖15 DLG與DOM套合效果

4 機載LiDAR系統(tǒng)測圖精度評價

4.1 精度評價方法

傳統(tǒng)全站儀配合RTK測繪大比例尺地形圖的生產(chǎn)方式雖然效率有限，但由于在測圖開始前布設圖根控制網(wǎng)和地物碎部點逐個采用全站儀采集的方式保證了成圖精度。為了驗證基于PPK的機載LiDAR技術(shù)大比例尺地形圖測繪的精度，在測區(qū)內(nèi)設置了若干檢查點，檢查點主要包括房屋角點、道路交叉點、獨立地物點。本文通過對檢查點平面坐標比較的方式進行精度評價[6]。

(1)選取檢查點的全站儀測定坐標和機載LiDAR成圖坐標分別為：(aXi，aYi)，(bXi，bYi)。

(2)計算X，Y方向的坐標差值，公式為：

dXi=aXi-bXi

(2)

dYi=aYi-bYi

(3)

(3)計算各檢查點的相對誤差，公式為：

(4)

(4)計算所有檢查點的期望和標準差，即平均值和中誤差，公式為：

(5)

(6)

4.2 評定結(jié)果分析

檢查點的比較結(jié)果如表1所示。通過計算可得檢查點的標準差為δ=0.038，即后差分機載LiDAR生產(chǎn)大比例尺地形圖的中誤差為 3.8 cm，滿足 1∶500地形圖生產(chǎn)的精度要求。

精度驗證表 表1

5 結(jié) 語

本文利用重慶市某地區(qū)1∶500地形圖測繪案例，分析了基于PPK的機載LiDAR技術(shù)在地形復雜區(qū)域大比例尺地圖測繪的精度和效率，可以分析出：

(1)基于PPK的機載LiDAR技術(shù)能夠快速而精確地采集大量點云數(shù)據(jù)，檢查點精度驗證得出中誤差δ=±0.038(cm)，滿足 1∶500地形圖測圖精度要求；由于本項目面積偏小、檢查點樣本數(shù)量偏少，基于PPK的LiDAR技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的精度驗證工作可以做進一步加強研究。

(2)使用基于PPK的機載LiDAR技術(shù)，在農(nóng)房一體調(diào)查、城市地形測圖、帶狀工程測繪方面都具快速高效的優(yōu)勢。機載LiDAR技術(shù)受天氣影響較小，效率高，可以穿透茂密林木和非接觸掃描危崖崩岸等特性使其在便捷、高效、高精度獲取大比例尺地形圖的應用中具有廣闊前景。