機載激光雷達在密林山區大比例尺測圖的應用

[摘要]針對密林山區大比例尺地形圖測繪有效采集地表特征點的相關問題，提出了無人機機載激光雷達通過點云采集、濾波技術獲取地表坐標信息。基于機載激光雷達采集的點云數據與傳統RTK測量采集的特征數據進行對比分析。研究結果表明：無人機機載雷達測繪系統外業效率高、周期短、精度高，研究結果可應用于密林山區大比例尺地形圖測繪。

[關鍵詞]密林山區；大比例尺地形圖測繪；機載激光雷達；點云

機載激光雷達系統是20世紀70年代以后發展起來的一種新興航測技術，是繼攝影測量技術之后一場新的技術變革。該測繪系統集飛行平臺、GPS、IMU、相機、激光掃描儀于一體，屬于主動測量手段[1]。通過對地發射激光脈沖記錄反射脈沖的時間間隔，進而計算脈沖路徑距離，結合POS和IMU數據從而計算出大量點云數據的坐標信息。在植被覆蓋密集山區進行大比例尺地形圖測繪，攝影測量方法受地表植被影響，無法采集植被遮擋下的地表數據。傳統的工測技術手段，周期長、效率低、人員安全和工程進度無法得到有效保障。

機載激光雷達系統設備輕巧、安裝方便、不受天氣影響。激光脈沖能夠穿透植被，快速獲取大量的點云數據[2]，在高植被覆蓋區域的地形圖測繪中優勢明顯。高植被覆蓋山區植被茂密，地形復雜，通過機載激光雷達掃描的大量點云數據，通過濾波技術過濾植被和地表構筑物等，進而準確獲取地表高程數據是關鍵所在。目前，機載激光雷達技術在電力巡檢、林業普查、地質勘查、城市三維建模等領域都有著廣泛的應用。本文從機載激光雷達測繪系統的原理、構成、關鍵技術等角度，以實際項目為背景，利用機載激光雷達技術對高植被覆蓋山區大比例地形圖測繪的可行性進行研究分析。

1.機載激光雷達測繪系統

機載激光雷達測繪系統是一種新型的測量技術，通過發射激光脈沖，快速獲取大量地表的點云數據[3]。激光雷達向被測物體發射激光束，通過比較處理發射信號與接收信號，然后獲得目標物的形狀、位置、速度、姿態等參數。該系統通過非接觸式測量，受天氣影響小，可以24小時全天候作業，能夠在不同高度獲取大范圍高密度點云。因此，在超大面積區域和在人員無法到達的復雜地形以及受植被遮擋嚴重的區域，有著廣闊的應用前景。機載激光雷達系統示意圖如圖1所示。

1.1機載激光雷達測繪系統原理

機載激光雷達系統由飛行平臺、GPS、IMU、相機、激光掃描儀組成。激光雷達由激光發射器，反射激光接收器，數據處理端組成[4]。激光具有直線發射，不易散射，能夠穿透植被，不受天氣影響等特點。機載激光雷達技術是基于激光的這些特性而研發。在測量過程中，由激光發射器發射激光脈沖，激光接收器接收反射回來的激光脈沖，根據記錄的激光束往返發射器和接收器之間的時間間隔T，和激光束在空氣中的傳播速度V，計算得到激光發射器距離被測物體的距離S，S=（T×V）/2[5]。結合慣性傳感器IMU測量的角元素（λψω）和GPS測量激光發射器的線元素（XYZ），可以精確地計算得到被測目標的三維坐標。將海量的被測目標的三維坐標值離散的展現在計算機處理器上便形成了激光點云。

1.2機載激光雷達測繪系統的優缺點

1.2.1機載激光雷達的優點

1）具有極高的精確度、較高的靈活性及安全性。

2）理論上可以24小時全天候作業，對天氣條件依賴較小，傳統無人機攝影測量對風速、太陽高度角、日照光線依賴性較強，需要良好的天氣條件。

3）在外業作業過程中不需要采集控制點，通過激光掃描可以在很短的時間內獲取大區域地表數據信息，與傳統的測量手段相比，極大地減少了外業的工作量，縮短了工作周期，提高了工作效率[6]。

4）在高密度植被覆蓋區域傳統無人機攝影測量無法穿透植被，需要配合RTK、全站儀進行實地補測和調繪或者采用量取植被高預估地表高程的方法，而機載激光雷達可以穿透植被，通過濾波可以獲取地表高程數據。

5）在進行帶狀地形圖測繪或者電力巡檢、大比例尺地形圖生產方面，機載激光雷達的優勢是傳統無人機攝影測量無法比擬的。

6）在地形復雜危險區域，利用激光雷達非接觸式掃描可以使作業安全得到有效保障。比如在地質災害區、毒氣排放等危險區域測繪作業。

7）隨著激光雷達技術的突飛猛進，點云采集密度遠高于傳統測繪，測點的密度和精度都比較均勻。

1.2.2機載激光雷達的缺點

1）點云數據量龐大，對計算機設備的性能要求較強。

2）高精度的機載激光雷達相對于最新涌起的大疆無人機攝影測量設備來說價格昂貴，價格制約著機載激光雷達測量系統的普及。

3）機載激光雷達內業處理方面自動化程度較低，對作業人員的操作水平要求較高。機載激光雷達在航跡解算、點云數據分類、點云濾波自動化處理等方面仍有較大的提升空間。

4）目前無人機電池技術并沒有獲得質的突破，導致無人機滯空時間比較短，可以連續測量作業的范圍不夠大。

5）在大比例地形圖測繪方面，點云數據不一定落在溝坎等特征線上，仍需要搭配相機采集的航攝影像來補充采集特征點數據。在大比例測圖領域機載激光雷達測繪系統仍受天氣條件的制約。

1.3機載激光雷達測繪系統的應用

1）通過航跡解算、點云分類濾波等處理可以生成DSM、DEM、DOM、DTM等，這些數據均可以直接運用于各類大數據應用系統的開發和應用[7]。

2）點云數據結合航攝相片可以制作生產城市三維模型，在智慧城市、數字城市方面應用廣泛。

3）在土建施工方面，可以快速獲取地表高程數據生產DEM，極大地方便了土石方量計算。

4）在森林調查方面，可以定期監測森林資源的覆蓋范圍、樹木的生長狀況、植被覆蓋率等，方便進行林業資源管理。

2.機載激光雷達測繪系統在1∶500地形圖中的應用及精度分析

2.1項目區概況

本文主要以實例項目證明在高植被覆蓋山區利用機載激光雷達測繪技術，獲取的地表高程點的數量及精度能滿足1∶500比例尺地形圖測繪的要求。根據工程的需要，對山西省忻州市代縣新高鄉趙村進行1∶500地形圖測繪。其地理坐標為東經112.913788°～112.944885°，測區東西長2.4km，南北長0.5km，測區面積1.714km2。趙村村與董家寨村、張村村、周流村、謝家寨村等村相鄰。測區植被茂盛，以灌木叢、酸刺、樹木為主。地貌特征主要為山地。測區最高海拔為1071m，最低海拔為868m。最大高差約為200m。實地地形復雜，采用傳統工測手段外業工作量大，難度系數高，且人員及設備的安全無法得到有效保障。無人機航空攝影測量由于無法穿透植被[8]，無法有效采集地表高程，如果配合傳統工測方法進行外業補測，外業工作量很大。為了完成工作任務，本次采用飛馬D2000無人機，搭載D2000機載激光雷達系統。

2.2數據采集

①儀器設備安裝與調試。飛馬D2000無人機、機載激光雷達、計算機等地面監控站。

②起降點選擇及航線規劃。為了有效監控無人機的飛行狀態及節省電源消耗，并且考慮飛機起降的安全應實地選擇合理的起降點。航高設置為130m，航速13.5m/s，航線間距92m，航帶重疊度50%。飛行總里程26.936km，飛行時間為36分鐘。

③數據采集。本次共采集數據量21G，點云數量3.6億。

④數據準備。用無人機飛行管家鏈接無人機導出POS數據，包括GPS數據和IMU數據。有地面基準站的還需導出地面基準站坐標數據。

⑤航跡解算。將POS數據、點云數據、星歷數據等導入無人機管家智激光聯合平差進行航跡解算[9]。航跡解算結果如圖2所示。

⑥點云解算。航跡數據、飛機姿態旋偏角數據、激光測距數據S、激光掃描角度數據導入智激光軟件進行融合解算，可以計算得到每個測點的CGCS坐標系下的坐標數據（XYZ）。在同一空間參考系下海量測點的集合即為點云。常見的點云格式為Las格式[10]。附色之后的點云解算結果如圖3所示。

⑦激光濾波和點云分類。將激光點云數據的高程異常突變點、噪聲等異常值進行剔除處理，并將地面點數據和非地面點數據進行分類，其中包括建筑物、植被、地面點數據。可以利用智激光軟件對點云數據進行剖面檢查。

⑧利用分類后的點云數據生成DEM、DSM、DLG。同時可以結合航攝相片生成DOM。測區1∶500DLG數據如圖4所示。

2.3精度檢核

經過點云過濾與分類處理后，獲取地表點云數據1.72G，共2916萬個點。在點云數據中抽取22個點進行外業精度檢核。抽取原則應顧及激光雷達的植被穿透能力測驗。同時為了檢驗結果的準確性，在地形高程變化突變處不應選點。外業采用南方銀河1PlusRTK分別采集平地、山地、建筑區、植被高密度區、植被稀疏區、巖石裸露地表等不同地形類型的高程，檢核點均勻分布整個測區。將RTK實時差分采集的高程與相應的點云高程進行對比分析[11]，分析結果見表1。

外業檢核結果對比分析表明：22個檢核點的最大高程誤差為0.052m，測區整體平均高程誤差小于0.1cm，標準差為0.0025m，說明測量數據偏離真實值的程度比較小，測量精度比較高，數據誤差非常穩定。經22個檢核點的高程計算得到點位高程中誤差為0.03m。數據表明隨著機載激光雷達技術的進步，現代激光雷達設備已經能夠達到很高的精度水平。

激光實際并不能直接穿透植被的枝葉，而是激光脈沖能夠穿過枝葉的縫隙并能反射回波，從而獲取地表DEM的數據信息。激光脈沖透過樹冠達到地面的單位面積的點云密度也是驗證機載激光雷達設備能否高質量完成大比例尺地形圖測繪的重要指標。目前雷達技術突飛猛進，在疏林區、地表裸露區激光雷達掃描均能夠達到很高的點云密度水平。本次基于密林區域提取地表點，實驗計算密林區域的點云密度。測區共隨機圈分了3個密林區域，點云密度提取結果見表2。

由上表可知密林區地表點云密度單位面積內能達到2個以上的水平。實驗表明應用機載激光雷達技術在高程精度上及地表點云密度上均能夠滿足丘陵地區1∶500地形圖測圖的精度要求。

3.結論

本實驗區按照1∶500地形圖測量規范的技術要求，以飛馬D2000機載激光雷達設備為測量平臺，通過獲取的點云數據進行點云高程精度和密度的分析試驗。結果表明，無人機機載激光雷達獲取的點云數據經過專業軟件處理后，無論是高程精度還是點云密度均能夠達到很高的水平，無人機機載激光雷達技術能夠滿足丘陵地區大比例尺地形圖測圖的精度要求。隨著軟件技術、硬件平臺的多樣化發展，機載激光雷達技術未來仍會有很大的發展潛力。未來在工程測量、林業管理、智慧城市建設、國土資源監察等方面都有著廣闊的應用前景。

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