機載LiDAR系統在山區大比例尺地形圖測繪中的應用研究

申秋羚 林毅

（海南水文地質工程地質勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

隨著我國經濟社會發展轉型，針對農村的一系列改革措施不斷出臺，由此，政府部門對現勢大比例尺地形圖的需求不斷增大、要求越來越高，而這些地區大都位于我國的山區，給地形圖測繪工作帶來一定困難。傳統的山區大比例尺地形圖測繪主要依靠人工野外生產的方式[1]，由于山區地勢高低起伏、溝壑懸崖峭壁多、植被茂密，導致GPS 信號容易被遮擋，不僅存在測量工期長、精度低、勞動強度大，而且還嚴重影響到作業人員的人身安全。

近年來，LiDAR 技術逐漸興起，其具有高效率、高精度、可穿透植被等諸多優點[2]，其中，以機載LiDAR 系統為代表的先進技術已經顯示出越來越大的應用潛力，完美解決了傳統山區大比例尺地形圖作業方式存在的問題。

2 機載LiDAR 系統

2.1 機載LiDAR 系統組成

機載LiDAR 是激光探測及測距系統的簡稱，它是將激光掃描系統、GPS 設備和INS 等設備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進行掃描，記錄目標的姿態、位置和反射強度等信息，獲取地表的數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。機載激光雷達系統主要由激光掃描系統（激光測距單元和光學機械掃描單元）、定向定位系統POS（動態差分GPS 和慣性導航系統INS）以及GPS 地面基站組成，如圖1 所示。

圖1 機載激光雷達系統組層

2.2 機載LiDAR 系統原理

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

3 項目實例

3.1 項目概況

某大比例尺地形圖測繪項目位于海南省中部山區，測區內地勢險峻，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。根據測區自然地理、氣候和交通等情況，該測區作業困難級別為V 級。測區長約2km、寬約1.5km，由于地形地貌復雜，傳統的人工外業數據采集難度系數高，測繪精度難以保證，本項目擬采用機載LiDAR 系統進行作業。

項目采用的設備為華測P580 無人機平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統，該系統能夠在復雜地形和危險測區情況下不直接接觸危險目標，詳細、快速地進行外業數據的采集，既能保證人員和設備的安全，又能保證成圖的精度。利用機載LiDAR 系統采集約3km2目標區域內的激光點云和影像數據，通過對獲取數據的后續處理得到該區域內l ∶500DLG、DEM、DOM 產品，該項目的作業流程如圖2 所示。

圖2 機載LiDAR系統作業流程

3.2 前期準備

前期準備階段包括資料收集、測區踏勘、空域申請等[4]，通過測區資料收集，研究獲取測區大體地形地貌特征，為航飛設計和機載掃描做好準備工作。

3.3 機載掃描

機載掃描采集內容包括：掃描方案設計、靜態基站架設、采集過程監測等環節[5]。掃描方案設計包括飛行參數設計和飛行航線規劃。飛行參數包括：無人機飛行高度、掃描航線帶寬兩個指標的設定，需要綜合考慮激光掃描儀參數設置、測區房屋間距等要素的影響。航線規劃主要是飛行時航線方向的確定，原則是：（1）滿足建筑物掃描完整性的同時提高無人機的使用率，即飛行最短的時間獲取更完整的點云數據；（2）保證航線整體相對較長且掃描方向與房屋方向時刻存在夾角，以便減少轉彎以及獲取房屋四面墻體。

在實際掃描作業中，還需在測區范圍內架設一臺靜態GNSS 接收機，同步接收和記錄衛星信號，用于后期數據解算。外業點云采集的同時要進行采集監測，目的是為了準確記錄掃描的工程文件信息，便于后期開展數據解算和內業測圖工作。

3.4 點云數據解算和精度檢核

數據解算方法主要包括三個部分：（1）差分GPS 處理；（2）軌跡文件解算；（3）點云數據輸出[6]。差分GPS 處理和軌跡解算部分使用Inertial Explorer 軟件進行處理，點云數據輸出采用設備自帶的激光解析軟件進行處理。為了保證激光點云掃描數據精度，在掃描的同時，安排外業現場調查人員利用全站儀實測一批檢查點。其中，檢查點要分布均勻，用于平面精度檢測的檢查點以房角點為主，穿插部分屋檐點；用于高程精度檢測的檢查點要以硬質路面點為主。對于測區中的噪聲點，需通過TerraSolid 軟件逐塊進行噪聲點的剔除，反復調整相關參數剔除點云數據的明顯噪聲，以便開展DEM 生產。

3.5 DEM 生產

獲取的點云數據，除了地面點還包括植被、建筑等非地面點數據，需要經過點云分類得到地面點。利用分類好的地面點成果數據，結合帶有高程信息的特征線，就可以制作高精度的DEM 成果。由于通過點云數據生成得到的等高線曲線折點較多，不夠平滑，為了進一步提高等高線的精度和美觀程度，需要后期進行手工編輯修飾，編輯原則包括：平緩地區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 成果生產的等高線如圖3 所示。

圖3 基于DEM成果生產的等高線

3.6 點云立體采編

除了采集等高線和高程點之外，還需要采集居民地、水系、交通、地貌、植被、管線等地物信息。本項目使用點云立體采編軟件LiDAR Feature，直接在三維立體點云環境下，結合獲取的正射影像數據并進行數字測圖。點云環境下的地形立體采編如圖4 所示。

圖4 點云環境下的地形立體采編

3.7 外業調繪和內業編輯

數據內業采集完成后，需要進行外業調繪與補測，目的是對內業采集的所有要素進行定性，補測、補調隱蔽地物、新增地物和采集遺漏的地物，并糾正內業采集錯誤的地物，進行全面的實地檢查、補測、地理名稱調查注記、屋檐改正等工作，要求做到圖面和實地景觀保持一致，保證其數學精度。地形圖內業編輯按外業調繪的內容，用人工干預方式，對原立體采集初編的矢量數據圖的內容作編輯修改。以統一的線型庫、符號庫、字庫和要素代碼分層標準進行編輯。

3.8 點云數據精度分析

為保證激光點云數據的精度，在掃描的同時，安排外業人員利用GNSS-RTK 實測一批檢查點，用于平面精度檢測的檢查點以房角點為主，穿插部分屋檐點；用于高程精度檢測的檢查點要以硬質路面點為主。本項目以中誤差作為精度指標對機載LiDAR 點云數據的精度進行分析評價，在測區范圍內均勻采集165 個點作為檢查點，經檢定，測區點云數據平面中誤差為±4.63cm，高程中誤差為±6.49cm，滿足有關規范的精度要求，部分點云精度統計數據如表1 所示。

表1 點云精度統計

3.9 效率統計分析

任務完成后，項目組將傳統大比例尺地形圖測繪方法與機載LiDAR 系統的生產效率進行了測算比較：在外業效率方面，利用GPS-RTK 和全站儀測圖1km2需要2 人，用時4 天左右，而機載LiDAR 系統只需1 人不足1 小時就能完成外業數據采集。在內業效率方面，傳統方法需要對數據進行展點，再跟草圖進行對比，最后繪制出地形圖，而機載LiDAR 系統可以在導出數據后直接在點云上進行描繪，再經過簡單處理就可直接出地形圖。經比較，內業出圖效率比傳統作圖高出4 倍以上。總體來看，機載LiDAR 系統和傳統測繪方法相比，生產效率至少提高8 倍以上。

4 結束語

機載LiDAR 系統在山區大比例尺地形圖測繪中取得了良好的應用效果，通過應用，總結如下：

（1）在植被茂密的山區，人工野外實測存在信號失鎖的情況，而機載LiDAR 系統因為GPS 信號不被植被遮擋，因而不會出現由于信號失鎖帶來的精度的降低。與地面全野外地形測繪方式相比，機載LiDAR 系統是通過飛機在空中采集數據，遮擋少、信號強、點云精度高，不存在測量盲區，作業更加機動靈活。

（2）山區地形復雜，存在人工難以到達的復雜地形或者危險測區，機載LiDAR 系統能夠詳細、快速地進行外業數據采集，既能保證人員和設備安全，又能保證成圖精度。利用機載LiDAR 系統獲取數字高程模型（DEM）、數字地面模型（DSM ）更為方便、高效，具有作業成本低、數據精度高、利于成本控制等優點。 （3）與低空航空攝影相比，機載LiDAR 系統是一個主動系統，不受陰影與太陽高度角的影響，受天氣影響較小，有效作業時間長。機載LiDAR 系統將山區地形圖測繪工作從“外”搬到“內”，大大減少了外業測圖人員的工作量，提高了工作效率。

隨著LiDAR 設備的越來越小型化，其搭載的載體將會更加豐富，基于多平臺（無人機載、車載、手持）的LiDAR 系統都已面世，相信隨著國家新型基礎測繪的啟動，LiDAR 系統在全要素地形圖生產中必將具有廣闊的應用前景。