機載激光雷達在困難立地區大比例尺地形測繪中的應用研究

閆燁琛，席雪萍，于向吉，袁婷婷，高學飛，齊 超

（天津市地質工程勘測設計院有限公司，天津 300000）

近年來隨著社會的發展及實際工作的需要，針對一些困難立地區開展大比例尺地形測繪工作日趨常態[1]，然而困難立地區往往是地形條件復雜，海拔跨度大，坡度陡峭，植被茂盛，針對該條件下的測繪任務致使傳統測繪工作者棘手困擾[2]。然而隨著社會的發展進步，無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）與機載激光雷達設備及測量技術日趨發展完善[3-4]，測繪工作者將機載激光雷達技術引入測繪領域，該技術是一種主動式對地觀測系統，激光雷達發出的激光脈沖可以穿透植被空隙測取地面信息[5]，能夠通過非接觸的手段獲取高精度地面數字高程模型（DEM），為困難立地區大比例尺（1∶500）地形測繪提供了可行技術支撐[6]。與傳統測繪技術相比，其所表現出來的作業高效、操作便捷、精細準確、適用范圍廣及航測周期短等特點，致使其在地形環境復雜區域地形測繪領域應用優勢明顯[7-8]。

本文選取天津市薊州區一處困難立地區作為研究對象，研究探討機載激光雷達測量技術應用到地形條件復雜的困難立地區地形測繪及數字高程模型生產的可行性，并通過研究案例進行檢驗，驗證研究成果的可靠性，對困難立地區大比例尺地形測繪具有重要的理論和現實意義。

1 機載激光雷達測量

1.1 機載激光雷達航測——無人機、鏡頭型號及其參數（圖1、圖2）

圖1 經緯M300 RTK

圖2 禪思L1（雷達鏡頭）

規格參數：經緯M300 RTK無人機集成DJITM先進的飛控系統、六向雙目視覺+紅外感知系統和FPV攝像頭，兼容全向避障雷達，并兼并六向定位和避障，可適配多款DGC2.0接口的云臺相機，多云臺系統最多同時支撐3個獨立云臺，可滿足不同領域的使用需求。飛行器內置RTK模塊，可實現高精度準確定位。雙電池系統提升飛行安全系數，空載時飛行時間約55 min。

禪思L1的尺寸為152 mm×110 mm×169 mm，重量為930±10 g，量程為450 m@80%，0 klx；190 m@10%，100 klx。點云數據率：單回波，最大240 000點/s；多回波，最大480 000點/s。系統精度（RMS 1σ）1的平面精度為10 cm@50 m；高程精度為5 cm@50 m。

1.2 機載激光雷達航測——外業航空測量

本次采用的是經緯M300 RTK無人機搭載禪思LI雷達鏡頭開展研究工作，主要包括研究區勘察、像控點布設及測量、航線規劃及機載激光雷達系統測繪、室內數據處理分析等環節，具體工作流程如圖3所示。

圖3 機載激光雷達測量系統工作流程

1.2.1 像控點布設和測量

為滿足本次研究的精度要求，研究區機載激光雷達航測前需布設地面像控點，地面像控點在布設過程中應注重控制點位標志清晰，易于辨識和測量。本次針對測區地面像控點采集采用時動態定位（Real-Time Kinematic，RTK）測量獲取研究區像控點在國家2000大地坐標系（China Geodetic Coordinate System，CGCS2000）坐標。

1.2.2 外業航空攝影測量

本次研究區位于天津市薊州區，測區面積為115 555 m2，通過前期收集資料及實地踏勘后，進行航線規劃，飛行高度100 m，激光旁向重疊率40%，作業速度8 m/s，共4條航線，對測區進行了機載雷達測量，如圖4所示。

圖4 航線規劃圖

2 地形圖制作

主要通過制作數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、等 高 線 及 數 字 正 射 影 像（Digital Orthophoto Map，DOM），將制作好的柵格數據及矢量數據通過編輯加工，最終制作滿足研究要求的大比例尺地形圖。

2.1 數字正射影像（DOM）制作

本次研究室內數據處理主要通過大疆智圖（DJI Terra）軟件進行數字正射影像（DOM）制作，具體操作流程：獲取影像數據→添加影像→空三解算→刺控制點→二維地圖→導出成果，如圖5所示。

圖5 數字正射影像（DOM）

2.2 DEM及等高線制作

數字高程模型（DEM）制作主要通過機載激光雷達獲取的點云數據生成。其中機載激光雷達數據處理流程主要包括點云數據預處理及基于預處理后的點云數據深度處理分析，如圖6所示。

圖6 點云數據

本次研究主要利用大疆智圖（DJI Terra）軟件進行點云數據預處理，對機載激光雷達航攝獲取的點云數據進行解算，并進行各航帶數據的拼接工作；將預處理后的點云數據加載到LiDAR360 UAV軟件中進行處理，其中包括點云重采樣、點云去除噪點、點云分類及點云平滑等，點云去噪點是將點云中的偏離點進行剔除，減小數字高程模型（DEM）制作過程中因噪點產生的影響。其次對點云中的地面點和非地面點進行自動分類，完成點云分類工作，點云分類流程如圖7所示。分類后的地面點云點按照成圖比例尺要求使用LiDAR360 UAV軟件地形處理工具下的基于點云獲取DEM模型及等高線，如圖8、圖9所示。

圖7 點云分類流程圖

圖8 數字高程模型（DEM）

圖9 等高線

2.3 地形圖編繪

在AutoCAD 2016平臺上使用CASS10.1地形圖編繪功能，調用繪圖數據命令，將前期獲取的測區等高線數據加載到圖上，同時加載測區數字正射影像數據并進行地物平面矢量繪制。根據制圖規范，利用成圖系統將等高線圖與地物矢量圖拼接，對圖內各要素及地物符號嚴格按圖式規定進行編輯整理，生成完整符合測區要求的地形圖。

3 結束語

本次研究中使用的機載激光雷達設備航攝獲取的點云數據，具有高精度的三維空間數據信息，通過對點云數據的處理與應用，為制作高精度DEM提供了一種新的技術手段，獲取了研究區大比例尺（1∶500）地形圖，成果滿足研究要求。極大程度提高工作效率，降低困難立地條件下測繪工作人員的安全隱患，為機載激光雷達技術在大比例尺測繪工作中的應用做技術支撐，同時為傳統測量技術與新技術新方法的結合創新等工作提供科學依據。