機載激光雷達在大比例尺測圖中的應用

摘 要：文章簡述了機載激光雷達測量技術的原理及特點，通過與傳統測量技術的比較，說明了機載激光雷達測量技術在大比例尺測圖中的發展前景。

關鍵詞：機載激光雷達；LIDAR；大比例尺測圖

引言

福建省某核電廠址位于東沖半島的東北部、福寧灣的西南岸。測區高程在0-200m，含有一個無人島嶼。地貌主要以山地為主，山勢陡峭，尤其是靠臨海邊的山坡人員根本無法通行，植被茂盛，覆蓋率為70%，交通困難。測圖比例尺為1：1000。面積約5km2，工期為1個月。

在植被茂盛的山區進行大比例尺測圖，如何快速、高效的獲取基礎空間數據成為測量工作的首要解決的問題。常規人員跑桿方法生產周期長、費用高、效率低。如果采用傳統航空攝影測量方法，會因為像控點布設及測量困難而不能作業，即使破壞植被進行作業，立體相對測圖也無法滿足大比例尺地形圖的高精度要求。

人工跑桿結合機載激光雷達數據能夠很好的解決這種地區的大比例尺地形圖測繪的問題，完成測量工作。

文章結合福建某核電廠陸域1：1000比例尺地形圖測繪項目介紹機載激光雷達數據配合人工跑桿的方法在山區、植被茂盛地區測繪工作中的應用。

1 機載LIDAR組成及測量原理

機載LIDAR是綜合利用激光、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）三種技術于一身的系統，用于獲得數據并生成精準的三維地形（DEM）。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達毫米級。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得到的激光發射方向，就可以準確的計算出每一個地面光斑的X、Y、Z。

2 工程項目簡述

2.1 工程簡介

本工程位于福建省，測區地形屬于山地，高差較大地形復雜，山勢陡峭，樹木覆蓋密集。加之多年封山育林，山中幾乎沒有路，交通十分不便。測圖的目的是為核電廠的設計及后續土石方施工提供基礎數據。

2.2 工程實施

項目開展前，收集到測區附近的平面控制點、水準基準點、及LIDAR數據。

2.2.1 控制網的建立

只需要滿足前期測圖及后期土石方施工的需要，在1：1000測區范圍內布設了四等GPS控制網。根據地形及交通情況，對部分控制點進行了三等水準測量，其余點位進行了GPS高程擬合并用三角高程進行了檢查。

2.2.2 坐標轉換

機載激光雷達直接得到的原始坐標為WGS84坐標和大地高，而項目要求為1980西安坐標，1985國家高程基準。這樣就要求對機載LIDAR數據進行轉換。

（1）平面坐標轉換。根據測區的控制網點觀測數據及成果，可以計算出測區WGS84坐標與1980西安坐標系相互轉換的七參數。利用七參數，把機載LIDAR獲取的點云數據（WGS84坐標）計算出轉換為控制點的1980西安坐標系下的坐標。（2）高程擬合方案。利用測區內的已有控制網點擬合測區高程異常模型，利用高程異常模型將點云數據的大地高解算為正常高。

2.2.3 外業測量

（1）用常規測量測繪居民地、道路、電桿等地物的同時，同時也與機載LIDAR的高程數據進行了對比。（2）用GPS-RTK對山區進行了散點檢查，對個別超限的高程點進行了改正。

2.2.4 成圖精度分析

地形圖完成后，對外業進行了抽查。檢測地形點433個，高程較差最大值為0.958m，中誤差為0.336m。滿足《核電廠工程測量技術規范》（GB 50633-2010）中規定山地等高線插求點的高程中誤差小于0.9Hd（隱蔽地區可放寬50%）的限差要求。

3 機載LIDAR的技術特點

（1）快速獲取數據：地面控制工作大大減少，采集的每個激光點都帶有真實三維坐標信息，大大減少野外工作量，縮短工期；（2）植被穿透能力：由于激光探測具有多次回波特性，有效克服植被影響，可以更精確探測地面真實地形，是目前能測定植被覆蓋地區高程的先進技術；（3）數據高密度、高精度：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1-2m，平面精度0.3m，高程精度0.2m；（4）數據產品豐富：根據需要，機載LIDAR系統還可以配備高清數碼相機，在采集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響數據。經過加工處理后，可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等數據產品，在相關專業軟件的支持配合下，還可以制作其他數據產品，如城市建筑三維模型等。

與傳統航測方法相比，機載LIDAR有自身的優勢：

（1）作業環境廣，對于植被茂盛或山勢陡峭的無人區作業，傳統航測由于無法布設像控點，常規測量人員難以進入。但是對于機載LIDAR則不用考慮。機載LIDAR是主動式的測量技術，不依賴自然光、太陽輻射角和陰影的影響。（2）測量精度高，尤其是植被茂盛的測區，傳統航測作業方法需要作業人員估計樹高而得到地面高程，因此高程精度較差。激光脈沖信號能部分穿過植被，能夠快速得到的森林或山區的數字地面模型。

4 結束語

機載LIDAR以高精度、高密度、高效率等特點，在植被覆蓋率高、山勢陡峭、地形復雜的地區測量有著很好的優勢。將逐漸代替傳統航測成為測量業較為廣泛應用的作業方法。

參考文獻

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢大學出版社，2007.

作者簡介：焦正華（1983，3-），男，籍貫：河北省石家莊市，學歷：本科，職稱：工程師，研究方向：測量工程。