機載LiDAR在山區1∶500地形圖測繪中的應用

汪家意 王 君 田澤海

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

1∶500地形圖測繪是國土空間規劃的重要基礎數據，精度要求高，測圖時需要獲取地面精準的高程信息。以往采用全野外數字化地形圖測繪，先進行圖根控制測量，再利用全站儀在圖根控制點上擺站，施測所有可見的要素，內業計算出碎步點并打印白紙圖到外業實地連線并進行屬性調查，最后根據成圖要求基于成圖平臺進行內業成圖，外業工作量大、作業效率低、可達性不足。傾斜攝影數字化地形圖測繪是近幾年興起的一種作業方法，在地面進行像控點測量，利用無人機搭載五鏡頭相機獲取影像數據，再基于內業處理軟件進行空三加密與優化、模型構建、紋理映射、模型修飾與優化等操作，相較于全野外數字化地形圖測繪的方法，外業工作量大幅度減少，作業效率顯著提升[1-2]，但成果精度易受天氣、光線等因素影響，同時無法應用于采密集建筑、植被茂密等有遮擋的區域，因此難以應用于山區大比例尺地形圖測繪。傾斜攝影測量與全野外數字化地形圖測繪都有各自的優缺點，當前主流的全野外數字化地形圖測繪方法是將兩種方法結合，在視野開闊的無遮擋區域，如施工地、路面、水系等區域使用傾斜攝影測量的方法作業，在植被遮擋嚴重和建筑密集區域使用全野外的方法作業。這種方法能夠減少外業工作量，應對大部分的大比例尺地形圖測繪應用場景[3-4]。但在山區大比例尺的地形圖測繪應用場景下，整個區域的植被遮擋都較為嚴重，傾斜攝影僅能采集少量的要素，大部分工作量都需要全野外完成，嚴重影響工作效率。機載激光雷達技術發展迅速，已初步應用于測繪類項目生產實踐，為植被茂密、遮擋嚴重的山區大比例尺地形圖測繪提供了一種新的解決方案。本文利用機載LiDAR輔助山區大比例尺地形圖測繪生產，無須布設像控點，數據采集效率高，能夠透過植被之間的縫隙穿透到地面，獲取到地面高程數據。

1 項目概況

航線規劃與參數設置如圖1所示。

圖1 航線規劃及參數設置

測區面積約0.6 km2，屬于典型的廣州山區，植被茂密、地物復雜、高壓線路交錯，地物以樹木為主。廣河高速橫穿測區，高差大約100 m，局部坡度在10°以上，地形類型包括平地、丘陵、山地，其中山地占比遠大于其他地形類型，可將整個區域視作山區。項目使用華測BB4無人機搭載華測AU20激光雷達系統進行數據采集。

2 項目實施流程

項目的技術流程主要包括前期準備、外業數據采集、點云數據處理、機載LiDAR點云輔助測圖、生產1∶500地形圖。項目技術流程如圖2所示。

圖2 項目技術流程

2.1 前期準備

收集測區內已有的地形資料并進行現場踏勘、飛行計劃制訂等。航飛點云采集參數如表1所示。

表1 航飛點云采集參數

2.2 外業數據采集

航線規劃與參數設計：保證獲取的數據涵蓋測區范圍，確定航飛采集的點云密度，即單位面積內點云的平均采集量，保證點云密度符合1∶500地形圖技術要求。

控制測量與架設基站：用于數據解算與坐標轉換。坐標轉換需要至少利用外業數據采集的4對均勻分布于測區內的坐標轉換點，將點云成果轉換至目標坐標系。

2.3 點云數據處理

利用LiDAR360、華測CoProcess等軟件對外業質量檢查的原始點云數據進行處理，主要包括點云數據預處理、點云數據解算、坐標轉換、點云軟件噪聲點濾除、航線重疊區處理、自動分類、人工干預精細化分類提取地面點云數據等。

2.4 機載LiDAR點云輔助測圖

利用經過數據處理的地面點云數據，進行等高線測制、高程點采集以及遮擋區域輔助判斷。

2.4.1 軟件自動生產等高線本文是將數據處理后的點云數據直接導入eps軟件，利用軟件中的生成等高線功能生產等高線。

2.4.2 人工輔助修線與高程點數據采集

自動生成的等高線未切割路面、斜坡等區域，且存在大量尖銳角，美觀性欠佳。對于自動生成的不平滑等高線，會產生大量的修線工作量，不利于項目的推進以及高效率的生產要求。

本文采用兩種方法處理等高線折點多、尖銳角突出的問題。方法一是基于ArcGIS的平滑線操作，在導eps修線之前增加了一步預處理，本次預處理是在ArcGIS中操作，利用軟件中3DAnlyst工具的“平滑線”功能對等高線進行平滑處理，平滑容差需要根據圖幅地勢的具體情況試驗選取最佳值。方法二是基于eps的平滑線操作，直接使用eps的自帶平滑線功能，選擇合適的平滑參數進行自動修線工作，平滑后還存在明顯尖銳角區域進行人工手動再修線的工作，手動再修線區域可保留計曲線，首曲線通過修線后的計曲線內插得到。

方法一修線成果相對更平滑，但方法二不需要多格式、多軟件來回轉換使用，本項目的最終成圖是基于eps平臺，經過軟件與人工修線后的等高線成果平滑美觀、無尖銳角。

修線前、后對比如圖3所示。

圖3 修線前、后對比

2.4.3 結合三維模型

在eps中加載三維模型，利用分屏裸眼3D測圖，內業采集其他要素。

2.4.4 外業調繪補充屬性數據以及采集傾斜攝影和機載LiDAR

無法采集的要素，對于大面積缺失的區域使用全野外數字化的方式采集要素。

2.4.5 內業成圖

利用eps平臺按照成圖標準內業成圖。

3 項目成果分析

3.1 地面點云密度分析

1∶500地形圖測量中對于地面點云密度還沒有相關要求，故參考使用《機載激光雷達數據獲取技術規范》（CH/T 8024—2011）[5]中對1∶500內插數字高程模型數據的點云密度要求。

測區面積為0.6 km2，實際航飛采集點云覆蓋面積0.9 km2，經過分類后的地面點數量約3 000萬個，地面點平均點云密度約32 點/m2，符合《機載激光雷達數據獲取技術規范》（CH/T 8024—2011）中要求的16 個/m2。水面等區域地面點數據空白，但計算地面點平均點云密度時將水面的面積計算在其中，實際地面點平均點云密度更大。

3.2 地面點精度分析

針對生產的地面點，利用全站儀、RTK實地外業采集了部分檢測點驗證點云數據的成果精度，按照同精度檢測統計最終的精度。

本次外業實地采集的108個檢測點全部分布在山區，地面基本都有植被覆蓋遮擋。實際的精度分析方法是利用已有的點云成果先預生成等高線，再將檢查點與同一等高線范圍內的最近點云成果進行對比，不選取與檢查點不在同一等高線內的點云數據。相較于直接與檢查點最近點云高程比較，本方法可進一步降低檢測誤差，確保山區地面點云位置與檢查點之間未發生較大的高程變化。點云高程精度要求參考《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）[6]中山區1∶500地形圖等高線插求點的高程精度要求，即高程中誤差約等于33 cm。

山區的原始檢查點有108個，其中14個檢查點位于山區與路邊相連的斜坡頂的雙線溝渠底部。溝渠太窄且有茂密的草叢遮擋，點云無法穿透到水渠底部，統計時剔除了此類數據，因此最終參與統計的山區檢查點數量為94個。

本方法檢測得到點云的高程中誤差為12 cm，能夠滿足規范要求。

3.3 成圖精度分析

本項目的點云高程精度符合山區1∶500地形圖成圖要求，因此可以對地面點云成果進一步處理成圖，成圖高程中誤差不得超過33 cm，特殊困難地方可以放寬50%。

本文利用外業采集的實測點作為檢查點，與相應位置等高線插求點進行對比，統計分析了成圖精度，均采用同精度統計，中誤差按照33 cm進行計算，檢測的粗差率、高程中誤差都滿足規范要求。成圖精度檢查如表2所示。

表2 成圖精度檢查

局部成果如圖4所示。

圖4 局部成果

4 結語

本研究的地面點云密度、高程中誤差都能滿足規范要求，最終的成圖高程中誤差為14 cm，不僅能夠滿足山地成圖要求，還能夠滿足建筑區和基本等高距為0.5 m平坦地區的成圖高程精度要求，為山區大比例尺地形圖測繪生產提供了一定的參考。但機載激光設備通常造價昂貴，一些小型測繪作業隊伍難以承擔如此高昂的成本支出，是機載激光雷達技術輔助測圖未來大規模應用推廣的重點問題。