機(jī)載激光雷達(dá)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

摘 要：文章簡(jiǎn)述了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的原理及特點(diǎn)，通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的比較，說(shuō)明了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá)；LIDAR；大比例尺測(cè)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(cè)區(qū)高程在0-200m，含有一個(gè)無(wú)人島嶼。地貌主要以山地為主，山勢(shì)陡峭，尤其是靠臨海邊的山坡人員根本無(wú)法通行，植被茂盛，覆蓋率為70%，交通困難。測(cè)圖比例尺為1：1000。面積約5km2，工期為1個(gè)月。

在植被茂盛的山區(qū)進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，如何快速、高效的獲取基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)成為測(cè)量工作的首要解決的問(wèn)題。常規(guī)人員跑桿方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、效率低。如果采用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方法，會(huì)因?yàn)橄窨攸c(diǎn)布設(shè)及測(cè)量困難而不能作業(yè)，即使破壞植被進(jìn)行作業(yè)，立體相對(duì)測(cè)圖也無(wú)法滿足大比例尺地形圖的高精度要求。

人工跑桿結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠很好的解決這種地區(qū)的大比例尺地形圖測(cè)繪的問(wèn)題，完成測(cè)量工作。

文章結(jié)合福建某核電廠陸域1：1000比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目介紹機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)配合人工跑桿的方法在山區(qū)、植被茂盛地區(qū)測(cè)繪工作中的應(yīng)用。

1 機(jī)載LIDAR組成及測(cè)量原理

機(jī)載LIDAR是綜合利用激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精準(zhǔn)的三維地形（DEM）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)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(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)毫米級(jí)。結(jié)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(fā)射方向，就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的X、Y、Z。

2 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)述

2.1 工程簡(jiǎn)介

本工程位于福建省，測(cè)區(qū)地形屬于山地，高差較大地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峭，樹(shù)木覆蓋密集。加之多年封山育林，山中幾乎沒(méi)有路，交通十分不便。測(cè)圖的目的是為核電廠的設(shè)計(jì)及后續(xù)土石方施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 工程實(shí)施

項(xiàng)目開(kāi)展前，收集到測(cè)區(qū)附近的平面控制點(diǎn)、水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)、及LIDAR數(shù)據(jù)。

2.2.1 控制網(wǎng)的建立

只需要滿足前期測(cè)圖及后期土石方施工的需要，在1：1000測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)了四等GPS控制網(wǎng)。根據(jù)地形及交通情況，對(duì)部分控制點(diǎn)進(jìn)行了三等水準(zhǔn)測(cè)量，其余點(diǎn)位進(jìn)行了GPS高程擬合并用三角高程進(jìn)行了檢查。

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

機(jī)載激光雷達(dá)直接得到的原始坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)和大地高，而項(xiàng)目要求為1980西安坐標(biāo)，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。這樣就要求對(duì)機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（1）平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。根據(jù)測(cè)區(qū)的控制網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)及成果，可以計(jì)算出測(cè)區(qū)WGS84坐標(biāo)與1980西安坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換的七參數(shù)。利用七參數(shù)，把機(jī)載LIDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（WGS84坐標(biāo)）計(jì)算出轉(zhuǎn)換為控制點(diǎn)的1980西安坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。（2）高程擬合方案。利用測(cè)區(qū)內(nèi)的已有控制網(wǎng)點(diǎn)擬合測(cè)區(qū)高程異常模型，利用高程異常模型將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大地高解算為正常高。

2.2.3 外業(yè)測(cè)量

（1）用常規(guī)測(cè)量測(cè)繪居民地、道路、電桿等地物的同時(shí)，同時(shí)也與機(jī)載LIDAR的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。（2）用GPS-RTK對(duì)山區(qū)進(jìn)行了散點(diǎn)檢查，對(duì)個(gè)別超限的高程點(diǎn)進(jìn)行了改正。

2.2.4 成圖精度分析

地形圖完成后，對(duì)外業(yè)進(jìn)行了抽查。檢測(cè)地形點(diǎn)433個(gè)，高程較差最大值為0.958m，中誤差為0.336m。滿足《核電廠工程測(cè)量技術(shù)規(guī)范》（GB 50633-2010）中規(guī)定山地等高線插求點(diǎn)的高程中誤差小于0.9Hd（隱蔽地區(qū)可放寬50%）的限差要求。

3 機(jī)載LIDAR的技術(shù)特點(diǎn)

（1）快速獲取數(shù)據(jù)：地面控制工作大大減少，采集的每個(gè)激光點(diǎn)都帶有真實(shí)三維坐標(biāo)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(cè)具有多次回波特性，有效克服植被影響，可以更精確探測(cè)地面真實(shí)地形，是目前能測(cè)定植被覆蓋地區(qū)高程的先進(jìn)技術(shù)；（3）數(shù)據(jù)高密度、高精度：系統(tǒng)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常密集，精度也高，通常激光點(diǎn)距離1-2m，平面精度0.3m，高程精度0.2m；（4）數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富：根據(jù)需要，機(jī)載LIDAR系統(tǒng)還可以配備高清數(shù)碼相機(jī)，在采集地面激光點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)，還能同時(shí)采集同一區(qū)域高分辨率影響數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)加工處理后，可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在相關(guān)專(zhuān)業(yè)軟件的支持配合下，還可以制作其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如城市建筑三維模型等。

與傳統(tǒng)航測(cè)方法相比，機(jī)載LIDAR有自身的優(yōu)勢(shì)：

（1）作業(yè)環(huán)境廣，對(duì)于植被茂盛或山勢(shì)陡峭的無(wú)人區(qū)作業(yè)，傳統(tǒng)航測(cè)由于無(wú)法布設(shè)像控點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量人員難以進(jìn)入。但是對(duì)于機(jī)載LIDAR則不用考慮。機(jī)載LIDAR是主動(dòng)式的測(cè)量技術(shù)，不依賴(lài)自然光、太陽(yáng)輻射角和陰影的影響。（2）測(cè)量精度高，尤其是植被茂盛的測(cè)區(qū)，傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)方法需要作業(yè)人員估計(jì)樹(shù)高而得到地面高程，因此高程精度較差。激光脈沖信號(hào)能部分穿過(guò)植被，能夠快速得到的森林或山區(qū)的數(shù)字地面模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載LIDAR以高精度、高密度、高效率等特點(diǎn)，在植被覆蓋率高、山勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜的地區(qū)測(cè)量有著很好的優(yōu)勢(shì)。將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)航測(cè)成為測(cè)量業(yè)較為廣泛應(yīng)用的作業(yè)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢大學(xué)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：焦正華（1983，3-），男，籍貫：河北省石家莊市，學(xué)歷：本科，職稱(chēng)：工程師，研究方向：測(cè)量工程。