機載激光雷達在機場選址大比例尺地形圖測繪中的應用

王彬

佛山市測繪地理信息研究院 廣東 佛山 528000

1 引言

大比例尺地形圖具有詳細的地物、地貌和地理信息等，可按照實際需要縮編成不同比例尺，為機場選址、預可行性研究、可行性研究、總體規劃設計、近期工程建設初步設計和施工圖設計等工作提供全要素、高精度的基礎底圖。

目前傳統的RTK[1]結合全站儀的全野外數字化測量[2]的方式無法滿足地形復雜、植被覆蓋茂密區域大比例地形圖的需要，精度和效率無法得到保障，且安全風險較大。機載激光雷達作為一種全新的測繪技術手段，具有獲取數據精度高、速度快、范圍大，采樣密度高、直接獲取三維坐標、有一定的穿透性、多重回波及回波強度信息等特點，較好的彌補傳統測量手段的不足，目前正被廣泛應用于地形圖測量、道橋工程測量、礦山測量等領域[3-4]。

2 機載激光雷達系統工作的基本原理

機載激光雷達是地球科學對地觀測的一項新興技術，是傳統無線電技術和微波雷達技術向光學雷達技術發展的產物，通過發射激光脈沖及精準的量測回波所經過的時間計算傳感器與目標物之間的距離，再結合載體姿態信息、位置信息進行相關解算和坐標轉換可以得到高精度的三維數據。

3 機載激光雷達應用于測制大比例尺地形圖的作業流程

3.1 控制測量

首級平面網：為滿足機場選址要求，需要在測區內布設首級控制點，按照GNSS-C級網進行觀測。采用邊連式、網連式布網，由多邊形閉合環構成帶狀圖形，其中所有觀測邊都為獨立基線向量，并且要求閉合環中的邊數不多于6條。平面控制網采用GNSS靜態載波相位觀測方法，觀測精度結合《民用機場勘測規范》（MH/T5025-2011）中的三等衛星定位測量精度和《全球定位系統（GPS）測量規范》，具體如表1所示。

表1 GNSS網的主要技術指標

GNSS-C級網所有基線解算采用Gamit10.70軟件計算雙差固定解，所得基線結果應經同步環、獨立環及復測邊檢核；基線解算合格并符合各項限差后，采用武漢大學的COSAGPS V5.21軟件進行自由網平差和約束平差。以佛山市GNSS-B級平面控制點及CORS站作為約束點，在佛山市2000坐標系下，對全網進行約束平差。

首級高程網：首級高程控制網按國家二等水準網精度施測，平均每5km布設1個基巖水準點，布設成環形網，并應與國家控制點相聯測。起算點高程檢測精度不大于mm（R為檢測長度，單位為km），主要技術指標如表2。

表2 二等水準網主要技術要求

首級高程網平差計算采用武漢大學的CODAPS V6.0作為平差軟件，計算每公里水準測量的偶然中誤差及全中誤差、最弱點高程中誤差、相鄰點的相對高差中誤差，并分析各項精度指標是否滿足規范限差要求。并采用南方平差易2005作為檢核軟件以保證成果的可靠性。

GNSS-E級加密控制網：依據建立的首級網，在測區進行控制點加密，布設GNSS-E級點，控制點分布均勻。為提高GNSS-E級網高程精度，需進行GNSS-E級點的四等水準高程聯測，布設起閉于二等水準點的四等水準網，水準路線盡量沿坡度較小、交通不太繁忙的公路、河堤布設，水準路線一般應閉合成環并構成網狀。

3.2 航線設計

飛行器在航飛之前，需要對測區進行實地勘測：包括測區內的最高建（構）筑物的高度（高壓線的分布）、測區內適合起飛的場地、以及測區內適合擺放基站的場地[5]。然后根據周邊地形、最高建筑物、歷史測量數據等進行合理的航線設計，合理劃分飛行架次，優化航飛方案，提升航飛作業效率，降低安全事故發生概率。

3.3 像控點布設

像控點是內業空中三角測量的依據，通過在測區內均勻布設平高控制點，平均每平方公里布設1至2個。像控點主要分為3類：軟土像控點、硬地像控點、和地物像控點[6]。像控點平面位置和高程測量采用CORS進行RTK測量，軟土像控點統一測量標識中心，硬地像控點統一測量“L”內直角，地物像控點測量能明顯分辨的特征點。像片平高控制點相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差不超過地物點平面位置中誤差的1/5；像片高程控制點相對鄰近基礎控制點的高程中誤差不超過1/10基本等高距。

3.4 軌跡解算與空中三角測量

利用地面站軟件進行數據處理。利用控姿態文件（POS數據）、后差分基站和后差分移動站數據文件進行軌跡計算與后差分數據處理。同時，利用共線共面條件方程的解析關系，建立連續攝取的具有一定重疊的航攝像片與實地相似的數學模型，采用機載GPS輔助空三平差軟件進行平差，絕對定向時基本定向點殘差、檢查點誤差和區域網間公共點較差的各項限值不超過GB/T 23236-2009 《數字航空攝影測量空中三角測量規范》。

3.5 點云分類

受各類客觀外界因素的影響，通過機載激光雷達獲取的點云數據存在一定比例的非正常數據，俗稱噪點，需要利用一定的算法和數據處理軟件對噪點進行刪除，最大限度降低噪點對成果的影響，使其客觀地反映出地物、地形及地貌特征，提高模型重構的精確度和速度。數據預處理的流程主要包括人工篩選、數據過濾、數據平滑、數據壓縮和數據分割等，隨著數據預處理算法的不斷完善，以及預處理軟件自動化、智能化程度越來越高，數據預處理的效率和質量得到了顯著提升。

點云數據主要分為兩大類型，地面點與非地面點。其中地面點是指能夠準確反映地貌特征位于裸地表面的點；非地面點是指落于其他地物上面的點，主要包括落于建構筑物、樹木、草地等上面的點。對點云數據進行自動預處理去噪后，為更加準確地區分有效點和噪點，需要結合經驗對其進行人工判讀與處理。

對原始點云數據進行預處理后進行地面點分類即可得到地面點分類結果，如圖1所示，圖中綠色點云為植被，橘色點云為地面點。

圖1 地面點分類結果

3.6 地形圖制作

原則上由內業定位，外業調繪定性。內業對于能夠準確識別地地形要素，直接獲取點位并用對應地圖式符號進行表示，對于內業分辨不清或者位置無法準確捕捉的，進行標注，以在外業調繪及補充測量中進行完善。

如圖2所示，激光點云切片前地物外圍邊界基本清晰。如圖3所示，激光點云切片后地物外圍邊界更加清晰，切片后嚴格按照地物特征點位采集，不遺漏、不變形、不改變位置。

圖2 點云切片前

圖3 點云切片后

將地面點生成不規則三角網模型和等高線，如圖4所示，不規則三角網模型與規則格網模型相比較，數據冗余程度小，與現狀貼合程度高，可以充分地表達復雜地形特征[7]。如圖5所示，對等高線繼續調整與修飾并形成最終成果。

圖4 三角網模型

圖5 等高線

3.7 外業調繪

根據內業生產的 1:500數字線劃圖進行實地調繪，完善地形圖的各要素注記，修正線劃圖中錯漏的地形、地物，地類劃分，外業調繪主要要求如下：

1、建筑物調繪：建筑物平面位置以房屋外沿最大投影為準，無毗連的建筑物逐個調繪并對房屋的建筑材料和層數進行注記。2、獨立地物調繪：牌坊、紀念碑、方向性標志、里程碑、雷達站、避雷針、水塔、煙囪、電桿、水井、墳地等均要求實地調繪并注記。3、管線調繪：電力線、通訊線、地下電纜，電桿、鐵塔，各種地面、地下及架空管線均在實地調繪和實測其位置，標注線路方向和類別，并按規定符號表示，密集的管線只繪符號不連線、架空支架按要求適當取舍。4、水系調繪：標注河流、湖泊、水工建筑物的名稱，標注河流、水渠水流方向。5、道路調繪：鐵路、公路、大車路、渡口、碼頭、橋涵、隧道等名稱，鐵路、公路等級、鋪面材料以及附屬物(如里程碑，指示牌、涵洞等)進行實地調繪標注。6、地理名稱調繪：各類地理名稱注記，包括居民地、道路、橋梁、市鎮街巷、工礦企業、機關學校、醫院、農(林)場、大型文化教育建筑、名勝古跡以及山嶺、溝谷、河流、湖泊、港口等名稱。7、地類界及控制點調繪：各種地類、植被，路堤、沖溝、陡坎、梯田等實地調繪邊界和注記。各等級平面控制點、圖根點、水準控制點等測量控制點均按規定符號表示。8、根據圖上標記錯漏的房屋、電桿、鐵塔、涵閘、水溝、陡坎、界線、架空道路的橋墩、地類界等地形、地物的地方，利用全站儀和RTK等儀器實地進行地形碎部測量和地物測量。

3.8 數據檢查

對成果開展自檢，主要包括以下內容：

1、層合法性檢查。將地物圖層選取錯誤的直接歸到正確圖層。2、空間邏輯檢查。檢查數據空間邏輯性的正確與否，包含以下幾點：線對象只有一個點、一個線對象上相鄰點重疊、一個線對象上相鄰點往返（回頭線）、少于3個點的面對象、不閉合的面對象。3、房屋交叉檢查。用拖線、加折點、刪折點或者重新連線等方法，讓房屋線之間緊密貼合在一起。4、面不閉合檢查。任何面狀地物必須閉合，作圖過程中未閉合完成操作時，雖然會顯示面狀地物輪廓，實際上未完成操作就終止畫線操作，產生不封閉面，需要人工閉合。5、高程點與等高線矛盾檢查。其主要情況為點線不符，包括以下兩種情況：因為等高線未賦值引起的，選擇把等高線正確賦值即可。因數據錯誤點線不符，需人工干預。6、面包含檢查。檢查指定編碼面之間是否存在相互包含的關系，一般用面分割處理。7、等高線檢查。一般檢查等高線的值，或者等高線的編碼是否正確，首曲線、計曲線的編碼是否正確。

4 應用案例分析

測區中心位于東經112°34′、北緯22°52′，屬于肇慶市高要區與佛山市高明區交界處，測區內大部分為低山丘陵區，高度100-300m之間，山地樹木茂密，植被類型以桉樹為主，樹冠形狀有尖塔形、多枝形和垂枝形等，地表多為針葉灌木植物，植被覆蓋率95%以上，區內魚塘眾多、道路狹窄、氣候不穩定，時有暴雨、冰雹等災害性天氣。為滿足機場選址及后續工作的需要，受機場建設相關部門委托，佛山市測繪地理信息研究院采用機載激光雷達與傳統技術手段相結合方式對指定范圍進行1：500地形圖測量。

通過外業數據采集、內業處理、外業調繪等流程，生成1：500地形圖正式成果，面積約56.24km2折合標準分幅（40cm×50cm）共1125幅。

成果委托廣西壯族自治區自然資源產品質量檢驗中心進行檢驗，采用簡單隨機抽樣、內外業相結合的方式進行檢查。內業檢查成果的坐標系統、高程系統、比例尺等數學基礎，數據組織、數據格式、要素編碼正確性、要素分層的數據及結構正確性，地形圖符號、線劃、色彩質量、注記質量、圖面要素協調性等整飾質量，檢查報告、技術設計總結等附件質量；外業巡查地理要素的完整性、地理要素的協調性、注記和符號的正確性、綜合取舍的合理性等地理精度；采用RTK或全站儀測量地物點平面位置與高程，采用測距儀量取地物尺寸等檢查數學精度。共抽樣檢查90幅地形圖，檢測地物點高程中誤差最小為±0.037m，最大為±0.145m，限差為±0.145m；檢測地物點點位中誤差最小±0.083m，最大為±0.233m，限差為±0.25m；地形圖數學精度符合規范要求。

5 結論

機載激光雷達與傳統測量手段相結合的方式能夠有效克服測區地形地貌復雜、植被茂密、人員難以達到現場且危險系數高等困難，能夠快速完成大面積的野外數據采集工作，通過人機交互式數據處理手段，經過點云坐標轉換、點云拼接、去噪、分類、制圖、調繪等一系列后處理工作，極大地提高了生產效率。本項目的成功實施，有力證明了利用機載激光雷達與傳統測量手段相結合的方式測制大比例尺地形圖是一種高效率、高精度的方法，隨著機載激光雷達和無人機低空航攝技術在行業應用中進一步推廣，將來的大比例尺地形圖測制工作將更加高效便捷。