機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用研究

申秋羚 林毅

（海南水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型，針對(duì)農(nóng)村的一系列改革措施不斷出臺(tái)，由此，政府部門對(duì)現(xiàn)勢(shì)大比例尺地形圖的需求不斷增大、要求越來越高，而這些地區(qū)大都位于我國的山區(qū)，給地形圖測(cè)繪工作帶來一定困難。傳統(tǒng)的山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪主要依靠人工野外生產(chǎn)的方式[1]，由于山區(qū)地勢(shì)高低起伏、溝壑懸崖峭壁多、植被茂密，導(dǎo)致GPS 信號(hào)容易被遮擋，不僅存在測(cè)量工期長(zhǎng)、精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且還嚴(yán)重影響到作業(yè)人員的人身安全。

近年來，LiDAR 技術(shù)逐漸興起，其具有高效率、高精度、可穿透植被等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，其中，以機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)為代表的先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)顯示出越來越大的應(yīng)用潛力，完美解決了傳統(tǒng)山區(qū)大比例尺地形圖作業(yè)方式存在的問題。

2 機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)

2.1 機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)組成

機(jī)載LiDAR 是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它是將激光掃描系統(tǒng)、GPS 設(shè)備和INS 等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺(tái)為載體，通過對(duì)地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的數(shù)字化精確三維模型信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)（激光測(cè)距單元和光學(xué)機(jī)械掃描單元）、定向定位系統(tǒng)POS（動(dòng)態(tài)差分GPS 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS）以及GPS 地面基站組成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組層

2.2 機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)原理

機(jī)載LiDAR 對(duì)地觀測(cè)的基本原理是已知點(diǎn)加矢量的方法求取未知點(diǎn)坐標(biāo)，假定激光掃描儀的投影中心O的三維坐標(biāo)（Xo,Yo,Zo）由GPS 確定；姿態(tài)測(cè)量裝置提供觀測(cè)平臺(tái)法線的仰俯角Φ、側(cè)滾角ω、偏航角κ及觀測(cè)方向和法線的夾角θ,由此組成的矢量矩陣可算出方向余弦,矢量的模S根據(jù)激光測(cè)距儀獲取，則未知點(diǎn)Pi的坐標(biāo)（Xi,Yi,Zi）即可由式（1）求得[3]。

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

某大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目位于海南省中部山區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)險(xiǎn)峻，溝壑縱橫，森林茂密，水流湍急，河谷遍布，巨石林立。山體表面多為危巖及崩塌堆積，海拔在500 ～1000m，最大高差500m，地面坡度在8 ～45 度，地形類別為山地。根據(jù)測(cè)區(qū)自然地理、氣候和交通等情況，該測(cè)區(qū)作業(yè)困難級(jí)別為V 級(jí)。測(cè)區(qū)長(zhǎng)約2km、寬約1.5km，由于地形地貌復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工外業(yè)數(shù)據(jù)采集難度系數(shù)高，測(cè)繪精度難以保證，本項(xiàng)目擬采用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。

項(xiàng)目采用的設(shè)備為華測(cè)P580 無人機(jī)平臺(tái)搭載AS-300HL 多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在復(fù)雜地形和危險(xiǎn)測(cè)區(qū)情況下不直接接觸危險(xiǎn)目標(biāo)，詳細(xì)、快速地進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，既能保證人員和設(shè)備的安全，又能保證成圖的精度。利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)采集約3km2目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，通過對(duì)獲取數(shù)據(jù)的后續(xù)處理得到該區(qū)域內(nèi)l ∶500DLG、DEM、DOM 產(chǎn)品，該項(xiàng)目的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)作業(yè)流程

3.2 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備階段包括資料收集、測(cè)區(qū)踏勘、空域申請(qǐng)等[4]，通過測(cè)區(qū)資料收集，研究獲取測(cè)區(qū)大體地形地貌特征，為航飛設(shè)計(jì)和機(jī)載掃描做好準(zhǔn)備工作。

3.3 機(jī)載掃描

機(jī)載掃描采集內(nèi)容包括：掃描方案設(shè)計(jì)、靜態(tài)基站架設(shè)、采集過程監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)[5]。掃描方案設(shè)計(jì)包括飛行參數(shù)設(shè)計(jì)和飛行航線規(guī)劃。飛行參數(shù)包括：無人機(jī)飛行高度、掃描航線帶寬兩個(gè)指標(biāo)的設(shè)定，需要綜合考慮激光掃描儀參數(shù)設(shè)置、測(cè)區(qū)房屋間距等要素的影響。航線規(guī)劃主要是飛行時(shí)航線方向的確定，原則是：（1）滿足建筑物掃描完整性的同時(shí)提高無人機(jī)的使用率，即飛行最短的時(shí)間獲取更完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）保證航線整體相對(duì)較長(zhǎng)且掃描方向與房屋方向時(shí)刻存在夾角，以便減少轉(zhuǎn)彎以及獲取房屋四面墻體。

在實(shí)際掃描作業(yè)中，還需在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)架設(shè)一臺(tái)靜態(tài)GNSS 接收機(jī)，同步接收和記錄衛(wèi)星信號(hào)，用于后期數(shù)據(jù)解算。外業(yè)點(diǎn)云采集的同時(shí)要進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)，目的是為了準(zhǔn)確記錄掃描的工程文件信息，便于后期開展數(shù)據(jù)解算和內(nèi)業(yè)測(cè)圖工作。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算和精度檢核

數(shù)據(jù)解算方法主要包括三個(gè)部分：（1）差分GPS 處理；（2）軌跡文件解算；（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出[6]。差分GPS 處理和軌跡解算部分使用Inertial Explorer 軟件進(jìn)行處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出采用設(shè)備自帶的激光解析軟件進(jìn)行處理。為了保證激光點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)精度，在掃描的同時(shí)，安排外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員利用全站儀實(shí)測(cè)一批檢查點(diǎn)。其中，檢查點(diǎn)要分布均勻，用于平面精度檢測(cè)的檢查點(diǎn)以房角點(diǎn)為主，穿插部分屋檐點(diǎn)；用于高程精度檢測(cè)的檢查點(diǎn)要以硬質(zhì)路面點(diǎn)為主。對(duì)于測(cè)區(qū)中的噪聲點(diǎn)，需通過TerraSolid 軟件逐塊進(jìn)行噪聲點(diǎn)的剔除，反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的明顯噪聲，以便開展DEM 生產(chǎn)。

3.5 DEM 生產(chǎn)

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，除了地面點(diǎn)還包括植被、建筑等非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過點(diǎn)云分類得到地面點(diǎn)。利用分類好的地面點(diǎn)成果數(shù)據(jù)，結(jié)合帶有高程信息的特征線，就可以制作高精度的DEM 成果。由于通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成得到的等高線曲線折點(diǎn)較多，不夠平滑，為了進(jìn)一步提高等高線的精度和美觀程度，需要后期進(jìn)行手工編輯修飾，編輯原則包括：平緩地區(qū)等高線走向的正確性、V 字形山脊山谷朝向的正確性等。基于DEM 成果生產(chǎn)的等高線如圖3 所示。

圖3 基于DEM成果生產(chǎn)的等高線

3.6 點(diǎn)云立體采編

除了采集等高線和高程點(diǎn)之外，還需要采集居民地、水系、交通、地貌、植被、管線等地物信息。本項(xiàng)目使用點(diǎn)云立體采編軟件LiDAR Feature，直接在三維立體點(diǎn)云環(huán)境下，結(jié)合獲取的正射影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字測(cè)圖。點(diǎn)云環(huán)境下的地形立體采編如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)云環(huán)境下的地形立體采編

3.7 外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯

數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集完成后，需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)，目的是對(duì)內(nèi)業(yè)采集的所有要素進(jìn)行定性，補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)調(diào)隱蔽地物、新增地物和采集遺漏的地物，并糾正內(nèi)業(yè)采集錯(cuò)誤的地物，進(jìn)行全面的實(shí)地檢查、補(bǔ)測(cè)、地理名稱調(diào)查注記、屋檐改正等工作，要求做到圖面和實(shí)地景觀保持一致，保證其數(shù)學(xué)精度。地形圖內(nèi)業(yè)編輯按外業(yè)調(diào)繪的內(nèi)容，用人工干預(yù)方式，對(duì)原立體采集初編的矢量數(shù)據(jù)圖的內(nèi)容作編輯修改。以統(tǒng)一的線型庫、符號(hào)庫、字庫和要素代碼分層標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編輯。

3.8 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析

為保證激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，在掃描的同時(shí)，安排外業(yè)人員利用GNSS-RTK 實(shí)測(cè)一批檢查點(diǎn)，用于平面精度檢測(cè)的檢查點(diǎn)以房角點(diǎn)為主，穿插部分屋檐點(diǎn)；用于高程精度檢測(cè)的檢查點(diǎn)要以硬質(zhì)路面點(diǎn)為主。本項(xiàng)目以中誤差作為精度指標(biāo)對(duì)機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻采集165 個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，經(jīng)檢定，測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面中誤差為±4.63cm，高程中誤差為±6.49cm，滿足有關(guān)規(guī)范的精度要求，部分點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)

3.9 效率統(tǒng)計(jì)分析

任務(wù)完成后，項(xiàng)目組將傳統(tǒng)大比例尺地形圖測(cè)繪方法與機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的生產(chǎn)效率進(jìn)行了測(cè)算比較：在外業(yè)效率方面，利用GPS-RTK 和全站儀測(cè)圖1km2需要2 人，用時(shí)4 天左右，而機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)只需1 人不足1 小時(shí)就能完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在內(nèi)業(yè)效率方面，傳統(tǒng)方法需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)，再跟草圖進(jìn)行對(duì)比，最后繪制出地形圖，而機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)可以在導(dǎo)出數(shù)據(jù)后直接在點(diǎn)云上進(jìn)行描繪，再經(jīng)過簡(jiǎn)單處理就可直接出地形圖。經(jīng)比較，內(nèi)業(yè)出圖效率比傳統(tǒng)作圖高出4 倍以上。總體來看，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)和傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比，生產(chǎn)效率至少提高8 倍以上。

4 結(jié)束語

機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)在山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中取得了良好的應(yīng)用效果，通過應(yīng)用，總結(jié)如下：

（1）在植被茂密的山區(qū)，人工野外實(shí)測(cè)存在信號(hào)失鎖的情況，而機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)因?yàn)镚PS 信號(hào)不被植被遮擋，因而不會(huì)出現(xiàn)由于信號(hào)失鎖帶來的精度的降低。與地面全野外地形測(cè)繪方式相比，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)是通過飛機(jī)在空中采集數(shù)據(jù)，遮擋少、信號(hào)強(qiáng)、點(diǎn)云精度高，不存在測(cè)量盲區(qū)，作業(yè)更加機(jī)動(dòng)靈活。

（2）山區(qū)地形復(fù)雜，存在人工難以到達(dá)的復(fù)雜地形或者危險(xiǎn)測(cè)區(qū)，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)能夠詳細(xì)、快速地進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，既能保證人員和設(shè)備安全，又能保證成圖精度。利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地面模型（DSM ）更為方便、高效，具有作業(yè)成本低、數(shù)據(jù)精度高、利于成本控制等優(yōu)點(diǎn)。 （3）與低空航空攝影相比，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)是一個(gè)主動(dòng)系統(tǒng)，不受陰影與太陽高度角的影響，受天氣影響較小，有效作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)將山區(qū)地形圖測(cè)繪工作從“外”搬到“內(nèi)”，大大減少了外業(yè)測(cè)圖人員的工作量，提高了工作效率。

隨著LiDAR 設(shè)備的越來越小型化，其搭載的載體將會(huì)更加豐富，基于多平臺(tái)（無人機(jī)載、車載、手持）的LiDAR 系統(tǒng)都已面世，相信隨著國家新型基礎(chǔ)測(cè)繪的啟動(dòng)，LiDAR 系統(tǒng)在全要素地形圖生產(chǎn)中必將具有廣闊的應(yīng)用前景。