利用LIDAR數(shù)據(jù)測制城市大比例尺地形圖的研究與實踐

李勇，黃金浪

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

利用LIDAR數(shù)據(jù)測制城市大比例尺地形圖的研究與實踐

李勇?，黃金浪

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇南京 210005)

以南京市新港地區(qū)為例，研究利用LIDAR系統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)與點云數(shù)據(jù)及相應數(shù)字攝影測量軟件，測制城市大比例尺地形圖的方法。本文給出其中的關鍵技術和生產流程，是激光點云及數(shù)碼航空影像綜合使用上的一次成功嘗試。

LIDAR；數(shù)字攝影測量；地形圖精度

1 引 言

隨著南京市城市建設的飛速發(fā)展，城市規(guī)劃特別是城市郊區(qū)的規(guī)劃凸顯重要和緊迫，對地理數(shù)據(jù)的快速獲取和現(xiàn)勢性要求越來越高。而利用傳統(tǒng)的全野外數(shù)字化成圖，難以及時滿足城市規(guī)劃發(fā)展的需求，使得及時測繪所需大比例尺地形圖受到影響。目前利用已有小比例尺航攝資料進行大比例尺地形圖測制，已成為快速成圖的最佳路徑。

機載激光雷達(Light Detection And Ranging，LIDAR)是一種新型傳感器設備，該設備將POS技術和激光測距技術相結合。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量，結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光始發(fā)方向，就可以準確地計算出每一個地面光斑的三維坐標值。同時，LIDAR系統(tǒng)可以攜帶航空多光譜CCD相機，因此具備了同時獲得多光譜CCD影像的能力，為后續(xù)應用提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。

LIDAR由于能直接獲取真實地表的三維信息，經常應用在DEM、DOM制作及三維建模上，在測制大比例尺地形圖上應用較為少見。此次南京市新港地區(qū)生產1∶1 000地形圖，由于我公司已有2009年4月航攝LIDAR系統(tǒng)Rollei相機影像數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)，我們利用既有資料，在短期內完成了該測區(qū)的測圖任務，并獲得了良好的效果。

2 航攝資料分析

2.1 ALTM Gemini LIDAR系統(tǒng)

ALTM Gemini是加拿大Optech公司旗下的一款機載LIDAR產品，激光脈沖頻率為33 kHz～167 kHz，掃描頻率最大100 Hz，掃描角度0°～25°，允許飛行高度80 m～4 000 m。高程精度優(yōu)于15 cm。

ALTM Gemini LIDAR系統(tǒng)攜帶 CCD相機是由Rollei公 司 生 產，像 幅 大 小 為 49.150 4 mm × 36.910 4 mm，像素大小為6.8 μm。

2.2 測區(qū)情況與資料分析

南京市新港地區(qū)2009年使用ALTM Gemini系統(tǒng)進行航攝，折算影像攝影比例尺為1∶16 666，地面分辨率為11 cm。要求測制 1∶1 000比例尺地形圖，面積約50 km2。測區(qū)共有13條航線，最長基線為63條，共計668張航片，航向重疊在65%～75%之間，旁向重疊在40%～55%，飛行質量和影像質量良好。

依據(jù)《城市測量規(guī)范》規(guī)定，測制1∶1 000比例尺地形圖的航攝比例尺，按平地、丘陵地要求，最小比例尺也應有 1∶4 000，而這次測圖使用的航攝資料是1∶1.7萬，是規(guī)范規(guī)定比例尺的1/4倍，如果采用這種航攝資料按常規(guī)方法測圖是很困難的。因此，必須對各測圖工序作業(yè)方案進行試驗，科學設計作業(yè)方法，才有可能達到或接近規(guī)范規(guī)定的精度要求。

3 利用LIDAR數(shù)據(jù)測制大比例尺地形圖

由于LIDAR系統(tǒng)集成了小像幅數(shù)碼相機，通過對其影像做畸變糾正處理后，可以進行空三加密及測圖。通過對各工序試驗，確定了技術路線，優(yōu)化了作業(yè)流程，提高了生產效率。

3.1 采用的技術路線

由于影像重疊度大，基線短，交匯角小，高程量測精度差。在航向重疊為70%時，測圖能達到的高程量測精度可依據(jù)下面公式[1]計算:

其中△h為高程量測精度，m攝影為攝影比例尺分母，δx為影像量測誤差，f為焦距，Lx為行方向長度。從上式可知按影像量測誤差為三分之一個像素來計算，高程量測精度為0.315 m，空三加密平差解算也存在一定的高程誤差，最終成果的高程精度難以滿足1∶1 000比例尺地形圖成圖的精度要求。通過建立實驗區(qū)，對其精度進行驗證，共檢查了21個路面高程點，誤差最小為0.5 m，最大達到1.8 m，高程精度無法滿足1∶1 000比例尺成圖精度要求。采用全野外補測高程的方法處理，其工作量大，效率低。為了提高生產效率，利用LIDAR數(shù)據(jù)直接獲取地表三維信息的優(yōu)勢，采用影像數(shù)據(jù)與激光點云數(shù)據(jù)相結合的方法來測制地形圖。先布設一定數(shù)量的像控點，利用像控點及POS數(shù)據(jù)對影像進行空三加密，建立測區(qū)立體模型，在全數(shù)字攝影測量工作站上采集地形圖平面數(shù)據(jù)；城市建筑區(qū)、鋪裝路面的高程注記點由外業(yè)施測，其他區(qū)域的高程注記點及等高線可直接利用LIDAR點云提取。

3.2 空三加密

空三加密使用ISAT自動空三軟件，整個測區(qū)只建一個區(qū)域網(wǎng)，共布設34個控制點和6個檢查點。設置畸變參數(shù)后可進行空三加密，區(qū)域網(wǎng)平差精度如表1所示。

區(qū)域網(wǎng)平差精度 表1

精度統(tǒng)計表 表2

3.3 LIDAR點云處理

原始LIDAR點云經過分類后，提取地面點，然后進行坐標轉換；利用野外高程控制點對其做糾正處理，沿著路網(wǎng)，共布設了57個高程控制點及33個高程檢查點，糾正后高程檢查點的高程中誤差為0.13 m。

3.4 測圖精度統(tǒng)計分析

將空三加密成果導入到JX4和VirtuoZo里采集數(shù)據(jù)，利用LIDAR點云提取出等高線及高程注記點數(shù)據(jù)，測圖的數(shù)據(jù)和點云提取的數(shù)據(jù)合并，經過編輯后生成數(shù)字線劃圖。外業(yè)對其進行抽樣檢測，共抽取12幅樣本，精度統(tǒng)計如表2所示。

從檢測結果表明，利用LIDAR數(shù)據(jù)測制1∶1 000比例尺地形圖數(shù)學精度能滿足相關規(guī)范要求。

4 結 語

航空遙感是能快速獲取和更新基礎地理信息數(shù)據(jù)的重要技術手段之一。LIDAR作為一種新型的航空遙感技術，不但具有數(shù)碼航空攝影的能力，更重要的是能由空中直接獲取高精度三維地面數(shù)據(jù)。利用LIDAR數(shù)據(jù)測制地形圖，可以減少高程注記點及等高線的測繪工作，提高生產效率，節(jié)約成本。

本文提出的利用LIDAR數(shù)據(jù)測制城市大比例尺地形圖的方法是在激光點云及數(shù)碼航空影像的綜合使用上的一次成功嘗試，為同類項目提供了一定的參考依據(jù)，在此基礎上，正在研究利用 LIDAR數(shù)據(jù)測制1∶500比例尺DLG數(shù)據(jù)的可行性方案。隨著技術的進步，獲取數(shù)據(jù)精度的提高，LIDAR技術和數(shù)字攝影測量技術的綜合使用，能夠取長補短，快速生產4D產品，必將促進測繪生產技術的巨大進步。

[1]張祖勛.航空數(shù)碼相機及其有關問題.北京:測繪工程，2004

[2]袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用.北京:測繪出版社，2001

[3]CJJ 8－99.城市測量規(guī)范.

[4]Terrascan幫助文件.Terrasolid，2005

Research and Practice in Maping Large Scale Topography with LIDAR Data

Li Yong，Huang JinLang
(Nanjing Institute of Surveying，Mapping＆Geotechnical Investigation，Co.Ltd，Nanjing 210005，China)

This paper studies on using images and point clouds data of LIDAR system in mapping large scale topography with commercial digital photogrammetry soft in Nanjing XinGang urban area.Work flow and key technology were put forward.The work is a new step for using LIDAR point clouds and digital photogrammetry data.

LIDAR；digital photogrammetry；precision of map

1672－8262(2010)02－94－02

P22，P23

A

2009—12—09

李勇(1964—)，男，高級工程師，主要從事GIS研究及技術應用。