機載LiDAR技術在柬埔寨1∶2000地形圖測量中的應用

廉鐵輝,徐寅生

(1.天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

文章編號：1006—2610(2015)04—0023—04

機載LiDAR技術在柬埔寨1∶2000地形圖測量中的應用

廉鐵輝1,徐寅生2

(1.天津市引灤工程于橋水庫管理處，天津 301900；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

結合柬埔寨項目1∶2 000地形圖測繪項目，介紹機載激光雷達技術在植被茂盛的密林地區測繪中的應用，重點介紹了項目實施中技術方案的制定和數據后處理的過程。試驗表明，機載激光雷達技術可以解決大面積森林覆蓋地區、沙漠、沼澤、草原等困難地區及其他無法到達或危險區域的測繪工作，能夠大量減少人工成本并獲取豐富的地形測量成果，成果精度滿足相關規范要求。

LiDAR；點云處理；高程擬合

0 前 言

柬埔寨1∶2 000地形圖測量項目位于東南亞幾何中心——柬埔寨王國國公省西南部基里沙果縣海濱，接壤西哈努克市，總占地面積約450 km2，測區為丘陵地帶，沒有公路相通，僅有國公省至西哈努克市海域快艇和貨運船只往返，途經西部某島與海岸線有渡船相通，交通不便、植被茂密[1]。

激光雷達測量(LiDAR)作為一種快速獲取空間數據的新手段，在地球空間信息科學領域得到了廣泛應用。LiDAR是一種主動式對地觀測系統,它集成了GPS、慣性導航、激光測距等先進技術,具有控制測量依賴性少、受天氣影響小、自動化程度高、成圖周期短等特點。機載LiDAR作為一種新型的對地觀測技術,由于具有主動性、受天氣影響小、不受陰影影響以及對地物間縫隙具有一定的穿透性等優點,備受應用者和研究者的廣泛關注。目前,機載UDAR已逐漸應用于三維城市建模、大范圍高精度數字地面模型的獲取、高精度真正射影像的制作、森林資源的管理和評估、管線勘察等多個領域[2]。

1 測量方案比選

(1) 常規的地形圖測量需要人工測出各特征點，測區植被比較發育發達，視線遮擋率高達90%，并且測區內的一些紅樹林是柬埔寨國家保護樹種，不能砍伐，這樣工期和精度均無法保證。

(2) 由于測區植被覆蓋較密，交通不便，傳統攝影測量的像控點布設困難，相片聯測困難，并且受限于人工立體采集的精度，高程精度很難保證。

(3) 機載激光雷達系統是安裝在飛機上的激光雷達系統，是一種將激光測量距離、全球定位系統、和慣性導航系統3種技術集成于一體的系統[3]，概括起來機載激光雷達系統的優勢主要體現在以下幾個方面：

1) 航空攝影測量和傳統測量高程地貌點相結合的方式，快速獲取數據，外業工作量小，可以解決測區內部分沼澤區和紅樹林區的地形圖測量。

2) 數據精度高、密度高，測量范圍大，測量效率高。系統采集的激光點云數據非常密集，精度也高，通常激光點距離1～2 m，平面絕對精度0.3 m，高程絕對精度0.2 m。

3) 穿透植被能力強。由于激光探測具有多次回波的特性，能夠有效克服植被的影響，可以更精確地探測地面真實地形地貌。

4) 數據處理效率高。從航飛數據獲取到生成符合精度要求的點云數據成果，自動化程度高，一般無需人工干預，其生產DEM和DOM的時間要比傳統攝影測量快4～5倍。

5) 成果運用豐富。系統配備有高清數碼相機，在測量地面激光點坐標的同時，還能同時采集同一區域高分辨率影像數據。經過加工處理后，可以得到DEM、DOM、DSM等數據產品[4-5]。

2 項目實施總結

(1) 總體技術方案

機載激光雷達攝影測量工作主要分為3個階段：首先做測區的基礎資料收集、分析及空域申請工作；其次開展地面控制測量和機載激光雷達數據獲取工作；最后進行雷達數據的后處理工作。具體的實施過程如圖1所示。

(2) 設備的檢校

設備在安裝過程中存在安裝誤差，可以通過高精度檢校手段有效剔除姿態誤差，明顯提高數據精度。檢校區域布設了4條航線，2條低航高，2條高航高。檢校區域選擇在平坦且具有明顯線狀物的區域。

(3) 地面基站布設與觀測

在飛行區域內，架設GPS固定基準站，用地面GPS固定基準站采集的數據與慣性導航系統內部的雙頻GPS接收機采集的數據進行差分測量，經數據處理獲得連續的、更精確的傳感器位置。本次收集了全球高程異常分布圖，發現測區的高程異常相差不大，結合高程異常和IMU漂移精度不大于0.002 7 (°)/s 的技術要求，GPS基站與機載GPS距離不能大于15 km。根據這一要求，在航測區域內平均每30 km距離布設1臺地面GPS基站[6-7]。

圖1 機載激光雷達攝影測量工作步驟圖

(4) 航空攝影

項目的航飛飛機采用了ECUREUIL AS350直升飛機,機載激光雷達采用Leica ALS50Ⅱ三維激光掃描系統實施，其中相機為Leica RCD105。本次作業高度為750 m，航線總條數106條，總長度約1 135 km，像元6.8 μm。

(5) 機載LiDAR數據預處理

1) 機載LiDAR接收機質量檢測

對航飛獲取的所有機載雷達數據進行完整性檢查和評估，檢測影像色彩、點云密度噪音情況、航線覆蓋范圍等各項指標。

2) 機載LiDAR數據檢校

利用外業GPS聯測的控制點和檢查點數據對點云數據的航帶拼接和高程精度進行檢測和改正[8]。

(6) 機載LiDAR數據后處理

1) 點云分類處理

點云分類處理包括點云自動分類和手工分類。點云自動分類是選用合適的濾波算法將點云中的低點、空中點等噪聲點剔除，并分類出地表點，然后針對自動處理無法分類的部分再結合軟件生成的可實時編輯的模型進行精細化處理，分類后的地表點數據就可以用來制作DEM成果。

2) 使用POS數據采用無控方式制作DOM

先利用經過相機檢校后的航攝影像數據及影像外方位元素數據，并結合點云對航攝像片進行無控的空三加密；然后利用點云數據進行逐塊數字微分糾正；最后通過影像鑲嵌、調色、裁切后生成DOM。

3) 等高線與高程點制作

等高線是根據分類好的地表點云數據提取等高線關鍵點后由軟件自動生成，然后再結合DOM和點云模型渲染圖進行適當的編輯。溝谷、坎、水系邊緣等激光無法穿透或地形變化區域需重點檢查。

高程點的制作需根據實際地面分布特征選取合適的點位，利用DEM成果對其自動賦高程值，并結合DLG要素的相互關系等進行適當的編輯。

4) 精度指標：① Lidar數據(地面點)精度指標。經過質量檢測，DOM平面中誤差優于±0.8 m，DEM高程精度優于±0.25 m，高程中誤差平原地區0.25 m、丘陵地0.35 m，符合現行規范對DOM和DEM中誤差的精度要求；② 數碼影像精度要求。地面分辨率達到18 cm，精度滿足攝影測量國標[9-11]要求。

(7) 坐標轉換

機載激光雷達直接得到的原始坐標為WGS84坐標系坐標，而生產項目一般都是平面直角坐標系坐標。這樣就必須進行坐標系轉換，而轉換結果直接決定了生產成果的精度和可靠性。

1) 平面坐標轉換

本項目成果要求為GRS80橢球UTM投影的WGS84平面坐標，而機載雷達通過GPS技術獲取的原始坐標為WGS84大地坐標，需要通過3個以上地面公共控制點進行坐標轉換。

2) 高程轉換

本項目成果高程系統要求為當地國家高程基準，而機載激光雷達通過GPS技術獲取三維坐標中的高程為大地高，起算點為橢球面。兩者基準存在高程異常，不能直接應用，需要進行坐標轉換[12]。

在測區布設了水準測量路線，聯測了測區內的所有GPS點，根據選擇的2套坐標轉換點，建立布爾莎七參數坐標轉換公式[13]，反算出坐標轉換參數，然后利用EGM2008高程模型和實地外業測量高程點的方案進行了驗證，精度完全滿足規范要求。

(8) 精度統計

在項目實施過程中，按照規范要求，在野外測量高程點對成圖精度進行了檢查，經過內外業數據進行對比統計，成圖精度完全滿足1∶2 000航空攝影測量成圖精度，部分統計數據如表1、2所示。

表1 地形圖抽查檢測平面檢查精度統計表

3 結 語

本項目采用機載激光雷達技術順利完成了項目的測繪工作，并形成了DEM、DOM、DLG等一系列產品。經過外業的實際檢測，項目的精度完全滿足規范(采用中國相關規范)要求。機載激光雷達技術可以解決大面積森林覆蓋地區、沙漠、沼澤、草原等困難地區及其他無法到達或危險區域的測繪工作，能夠大量減少人工成本并獲取豐富的地形測量成果。在綜合吸取了多個項目的相關經驗和積極探索創新下，形成了一套從航飛設計、數據加工和成果應用的完整流程，并取得了良好的效果。

表2 地形圖抽查檢測圖幅等高線中誤差統計表

[1] 沙永恒.柬埔寨林業面面觀[J].中國林業, 2009, (9)：26-27.

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[4] 戴永江.激光雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2002.

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Application of Aircraft-carrying LiDAR Technology in Surveying of 1∶2000 Topographic Map

LIAN Tie-hui1, XU Yin-sheng2

(1.Tianjin Municipal Yuqiao Reservoir Management Center of Lian River Diversion Project, Tianjin 301900,China;2.China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222,China)

With practice of the surveying of 1∶2000 topographic map in Cambodia project, application of the aircraft-carrying laser radar technology in surveying in the region where vegetation is flourishing and dense. Preparation of the technical proposal and course of the post data processing in the project implementation are introduced especially. The tests prove that the aircraft-carrying laser radar technology can realize the surveying and mapping of the regions where forests cover in a large area, deserts, marshland and grass land, etc and it is difficult to reach and perform the surveying or the area where is dangerous, and it is impossible to survey. The technology can largely reduce manpower cost and obtain abundant topographic surveying results. The surveying precision satisfies the requirements of relevant specifications.Key words: LiDAR; dot cloud handling; elevation fitting

2015-02-10

廉鐵輝(1976- )，男，天津市人，高級工程師，從事水文水資源利用研究.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.006