基于LiDAR的測高數據制作DEM方法探討與研究

程建新++石國

摘 要：機載激光雷達它集成了激光測量、高精度慣性導航（IMU）和GPS全球衛星定位、數碼相機四項技術設備。是通過同步獲取激光回波信息、機載GPS信息、機載IMU（慣性導航裝置）信息和測區內GPS基站觀測數據，經過專業預處理軟件差分計算后生成高精度的激光點云數據和影像數據。根據需求，在相關后處理軟件平臺下，生成高精度的數字地表模型DTM、DEM及DOM。

關鍵詞：LiDAR 測高 DEM 激光

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0032-02

1 機載激光掃描獲得地形高程原理

機載激光掃描測高獲得地形高程的原理是將激光脈沖測距儀安置在妞行器上，通過記錄激光脈沖從發射機發射到地面后經地面目標物反射后的時間延遲，然后再乘以光速c，以此來精確測定發射點到地面反射點（激光腳點）的斜距。同時機載的慣性測量系統（IMU）測定飛行器在空問的姿態參數（側滾角、仰俯角和航向角），而GPS提供飛行器精確的位胃信息，在后續內業處理中，在提供的IMU確定的姿態信息，GPS測定的飛機飛行航跡數據以及激光脈沖測定的傾斜距離基礎上，可求出個激光點精確的三維空間直角坐標（X，丫Z）。通過一定寬度的掃描，就可獲得具有大量地面點的三維坐標。本次使用的是ALTM3100系統， ALTM系統同步采集激光地形數據和航空影像數據，可以生成DEM、DOM、DSM，極大地豐富了航攝成果的類型。

2 選用LIDAR獲取較高精度的地形數據的優勢

LiDAR激光掃描技術是一種主動式遙感手段，利用激光脈沖對目標地物進行掃描，接收回波信息以測定地物。LiDAR激光掃描系統可以同時接收地面四次回波信息，這樣，激光點就可以穿透植被，準確的獲取植被覆蓋區域的地形信息。即使是測區山區面積廣，植被覆蓋密度大，利用激光數據可以獲得高質量的地形數據。

3 DEM技術要求

（1）DEM采樣間隔。

1∶10000比例尺DEM采樣間隔為5m。

（2）DEM 格網點精度。

高程數據取位至0.1m。1：10 000比例尺DEM格網點高程中誤差不大于表1之規定。

（3）DEM 接邊差。

同名點高程較差不得超過一個等高距。

（4）DEM 分幅裁切。

DEM按內圖廓外接矩形裁切。

4 激光數據處理流程

針對激光數據處理，遵循以下原則。

（1）解算原則、方法：實際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲為一個激光點文件；采用WGS84橢球，UTM投影坐標系。

（2）POS處理說明：處理基站數據時，由觀測手簿獲得基站坐標及天線高；使用基站時，盡可能多的使用離測區范圍最近的所有基站，并且加載靜態初始化數據。

（3）航帶重疊處理：航線與航線之間重疊的部分，根據航線，需將重疊部分的冗余數據剔除出去，以減小數據量。

激光數據處理的技術流程如下：①原始數據解碼：利用地面預處理系統對采集的原始激光數據與POS數據進行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點文件等。②POS數據處理：機載POS與地面基站GPS進行差分和融合，獲得精確坐標。③激光數據處理：處理后的POS數據與激光點數據融合，獲得地面坐標；輸出激光點文件。

5 DEM、DSM生產

5.1 激光點濾波

根據地形情況，首先剔除噪聲點，包括云、折射等造成的高程異常點；然后設定適合的參數，TerraScan軟件自動提取地面點。

5.2 航線接邊處理

將POS數據生成的航跡成果信息，加載到激光點文件中，給激光點指定航線號，根據激光點的位置及姿態，對重疊區域進行自動裁切及拼接。

5.3 激光點編輯

將分類后的數據打開，單獨察看ground層，如果發現地形有明顯錯誤或分類效果沒有達到標準，則需要將這部分數據重新進行分類計算。

5.4 DEM輸出

Ground點編輯完成之后，以規定的標準格式，輸出DEM。

5.5 利用編輯好的DEM數據生成DSM

（1）利用PCI公司開發的LIDAR數據處理模塊LidarEngine軟件，導入激光點云數據（*.las格式）。生成DSM為了直觀檢查DEM的錯誤（見圖1）。

（2）使用LIDAR處理算法，生成激光數據DSM影像。（見圖2）。

檢查DSM數據，地形高程異常或產生漏洞區域，需要重新修改原始LAS數據和DEM數據，再次生成新的DSM檢查。

5.6 成果精度

激光LIDAR獲取的DEM高程精度應滿足30 cm，平面精度應小于1 m。

5.7 精度超限解決方案

當成果精度經過實際檢測，不能滿足項目要求時，需要對激光數據進行精度超限改正。有兩種方法。

（1）通過外業控制測量，對激光點進行糾正處理，使其精度提高。（2）在測區內，垂直航線方向補飛兩條（一個架次內），以垂直補飛數據與原有數據進行匹配（Match），得出改正參數。

5.8 成圖輸出

格式轉換之后的數據按照1∶10000標準圖廓進行分幅，作為成果提供使用。（見圖3）

6 結語

機載激光掃描測高涉及的實際應用很多，是一個典型的3S集成系統，隨著機載激光掃描測高技術的不斷成熟和數據處理算法的不斷完善，機載激光掃描測高技術的應用領域會越來越廣，特別是對于機載激光掃描測高技術。目前的發展趨勢表現在以下幾個方面，利用機載激光掃描測高數據建立大范圍高精度數字地面模型；利用機載激光掃描測高數據建立3D城市模型；緊急如滑坡測繪等災害事件的快速反應及變化監測；進行森林資源的管理和評估；海岸地帶測繪等。

參考文獻

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