利用機載LiDAR測繪大比例尺數字地形圖的可行性研究

胡耀鋒，張志媛，林 鴻

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州510060;2.廣州市規劃局，廣東 廣州510060)

一、引 言

激光雷達技術是從20世紀中后期逐步發展起來的一門高新技術，是一項通過由傳感器所發出的激光來測定傳感器與目標物之間距離的主動遙感技術［1］。機載激光雷達測量技術作為一種新興的空間對地觀測技術，在多等級三維空間信息的實時獲取方面取得了重大突破，引起了測繪、林業等相關行業人員的濃厚興趣。雖然機載激光雷達無法完全取代傳統的航空攝影測量作業方式，但可以預見，在未來的航空遙感領域，LiDAR將成為主流之一［2］。

美國國家宇航局(NASA)、美國地質調查局(USGS)以及美國地質學會(AASG)已經開始建設全美高分辨率激光雷達數據庫。我國正處于經濟高速發展的時期，國家、地方、企業生產單位迫切需要現實性強、精確度高、比例尺大的地形數據產品，滿足這些要求的主要途徑是采用激光雷達這一先進的測繪技術［3］。當前，在基礎地形圖的測繪中，LiDAR主要應用于專題和帶狀地形測量方面，真正用于大面積的地形圖測量上還比較少。

二、LiDAR系統組成及主要誤差來源

LiDAR系統主要由激光掃描系統(laser and scanning subsystem)、慣性測量裝置(inertial measure unit，IMU)、GPS、監視及控制系統(operator display)組成。其中LiDAR傳感器是系統的核心部件。由于這些部件高度集成，系統本身必將受到來自激光測距、姿態、飛行器位置等各種誤差源的影響［4］，這些誤差能直接影響到激光腳點坐標的精度。機載LiDAR系統誤差主要包括系統誤差和偶然誤差，系統誤差會給激光腳點坐標帶來系統偏差。主要包括:①GPS定位誤差;②激光測距誤差;③測角誤差;④系統集成綜合誤差;⑤INS姿態測量誤差;⑥其他誤差，如搭載數碼相機的LiDAR還包括相機的誤差、通過不同航帶獲取的點云數據存在誤差［5］等。GPS定位誤差是目前影響機載激光雷達測量精度的最主要誤差源之一，一般為厘米級到分米級［6］。

三、LiDAR測圖實施及關鍵技術

LiDAR測圖項目一般包括航外和航內作業兩個步驟，航外作業包括航空權的申請、飛行前的準備、儀器檢校、外業飛行、航測內業數據處理;航內作業包括內業成圖、外業調繪、數據入庫等環節。

1.項目概況

本項目位于廣州市從化區，面積1985 km2，測區東北部以山地、丘陵為主，中南部以丘陵、谷地為主，西部以丘陵、臺地為主。市內最高點海拔1210 m，最低點為海拔16.3 m。測區植被茂盛。

2.本項目使用的LiDAR設備

本項目采用的LiDAR掃描設備為德國TopoSys公司的Harrier 68i，是新一代LiDAR設備，激光掃描儀的型號為Riegl LMS-Q680;飛機采用運-5，數碼相機為Rollei Metric AIC Pro65;慣導系統型號為Applanix POS/AV系列，該儀器的GPS、IMU、激光掃描儀、相機均集成在設備箱內。

3.LiDAR測圖關鍵技術

外業航飛計劃制定、GPS基站設置、參考面測量、內業成圖是測圖的關鍵，另外由于市面上還沒有成熟的LiDAR地形圖測制軟件，軟件開發也是重點。

1)飛行計劃制訂:包括航帶劃分、飛行高度、速度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉動速度、數碼相機方位元素及定位、相機拍攝時間間隔等內容。本項目分A、B兩個范圍設計，其中A區飛行方向為西北—東南，共布設29條航線，相對航高為1600 m;B區飛行方向為西北—東南，共布設51條航線，相對航高為900 m。

2)GPS基站設置:在地面沿航線布設一定數量GPS基準站用于動態GPS定位，保持平均間距應在30～50 km，合理布設基準站可有效減小大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、衛星鐘差及軌道差等。在測區中最好也布設1～2個基準站，用于數據處理后快速檢測已知點與所測點云的絕對誤差。將流動站安置在飛機上，將基準站和流動站采樣間隔調整一致。本項目實際架設5個基站，平均間距為24 km，分布如圖1所示。

圖1 GPS基站分布圖

3)參考面測量:為保證數據處理的精度，消除系統誤差，在測區范圍內測量部分高程和平面參考數據，本測區共設計9個參考面，參考面均勻分布在測區范圍內，平均間距約15 km，如圖2的所示。

圖2 參考面分布圖

4)成圖軟件開發及內業成圖。經過LiDAR航飛后，獲得了數字正射影像圖、點云數據(地面點與非地面點數據，COO格式)、DEM(數字高程模型)等。由于目前市面上激光點云處理軟件地形圖測制功能較弱，研制LiDAR測圖軟件也是項目的關鍵。針對LiDAR特點及其成果的特征，該軟件主要功能應包括:地形圖繪制、點云數據快速調入、點云抽稀、影像圖快速調入及管理、房屋自動傾斜改正等。另外，由于本項目地面激光點密集，每平方千米約為1～4個，數據量非常龐大，利用傳統建立三角網生成等高線的辦法無法實施，因此，等高線大區域、快速生成也是項目的關鍵。本項目參考國家標準定制了地形圖測制模版(包括數據標準、地形圖圖式等)，并開發了LiDAR測圖軟件，解決了等高線快速生成等技術難題。在內業成圖上，正射影像圖中道路、水體、坎、斜坡的判讀與繪制是影響地形圖精度與質量的主要環節，同時，高層房屋的傾斜糾正也是項目的關鍵。

四、精度及植被穿透性檢測

1.平面、間距及高程精度檢測

本項目數學精度采用外業設站檢測及內業大比例尺(1∶500)地形圖精度比對兩種方法進行，外業設站進行了點位平面精度檢測、高程精度檢測、點位間距精度檢測。檢測成果見表1。

表1 平坦和丘陵地貌數學精度檢測表

2.植被穿透性檢測

表1中檢驗了平坦和丘陵地貌的高程精度，這些區域大部分位于居民區內，通常無成片植被覆蓋。本項目作業區中北部有2/3屬于山地丘陵地貌，植被覆蓋茂密，屬于典型的南亞熱帶和熱帶混交林帶，激光點的高程精度直接影響到地形圖中高程點和等高線的精度。為了檢驗本項目激光掃描儀對植被的穿透情況，測試激光點在不同植被下的高程精度，制定高程改正方案，本項目選定了作業區具有代表意義的8種不同植被類型進行高程檢測，如圖3所示。

圖3 典型植被高程檢測對照圖(虛線為LiDAR測定高程，實線為實地測量高程)

針對不同植被類型和覆蓋高度，對檢測點作了中誤差統計，結果見表2。

表2 山地植被高程檢查表

通過對圖3和表2的分析可以得出結論:①在一般情況下LiDAR航測高程大于實際檢測高程，如果需要得到更高的高程精度，可以為局部地貌減去高程中誤差以提高航測的精度，但是平地荔枝林地貌除外。在該地貌中共檢測了12個高程點，LiDAR航測高程大于實際檢測高程有7個點，中誤差為－0.08，小于實際檢測高程有 5個點，中誤差為+0.078，高程正負相當，這與平地高程檢測(見表1)的情況相類似，不能通過高程改正來提高精度。②點云分類的優劣是影響高程精度高低的主要因素。在表2中山地荔枝林的高程精度為0.33 m，平地荔枝林為0.079 m，誤差相差4倍多，而實地的植被覆蓋情況剛剛相反，平地荔枝林的覆蓋密度要大于山地荔枝林，主要原因在點云的后繼分類處理上。山地地形變化大，可供選取的分類參照點少且選取困難;平地地形變化小，可以選取樹林邊的道路作為參照點。分類參照點多且明顯，分類的結果就會更好。

五、結 論

LiDAR系統能全天候高精度、高密集度、快速和低成本地獲取地面三維數字數據，具有廣泛的應用前景［7］。通過本項目實踐和精度檢驗可以得出如下結論:

1)航高越高地面激光點的密度就越低，精度越差;反之，航高越低地面激光點的密度就越高，精度越高。降低航高將增加航飛次數及數據處理工作量，應當根據地理條件選擇與測圖比例相適應的航高。目前LiDAR能滿足1∶5000、1∶2000甚至更大比例尺的精度要求。本項目精度滿足國家相關規范要求，成果通過了國家測繪地理信息局測繪產品質量監督檢驗站的檢測。

2)激光對植被具有一定的穿透性，植被越密集到達地面上的激光點越少，反之就越多。

3)LiDAR相對傳統航空攝影測量具有極大優勢。它不需要布設像控點，無須構建立體像對，采用高清晰數碼相機拍攝，影像判讀清晰，色彩更真實，地類分界明顯，制圖速度快，工藝流程與傳統相比省去了膠片的沖洗和影像的掃描，減少了原始影像信息的損失［8］。本項目僅用時4個多月，成本和工期節約了30%～40%，驗證了LiDAR的成圖效率。

4)LiDAR的高程精度優于平面精度，這與傳統的航測剛好相反，二者的結合將是以后生產1∶500甚至更大比例尺地形圖的主要研究方向。

［1］趙峰，李增元，王韻晟，等.機載激光雷達(LiDAR)數據在森林資源調查中的應用綜述［J］.遙感信息，2008(1):106-110.

［2］吳華意，宋愛紅，李新科.機載激光雷達系統的應用與數據后處理技術［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(3):58-63.

［3］宮鵬，黃華兵.激光雷達技術在我國地形測圖中應用前景廣闊［J］.地理信息世界，2008(12):45-48.

［4］劉經南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統誤差分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2002(4):111-117.

［5］王蒙，隋立春，黎恒明.機載LiDAR點云數據的航帶拼接研究探討［J］.測繪通報，2010(7):5-8.

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

［7］李英成，文沃根，王偉.快速獲取地面三維數據的Li-DAR 技術系統［J］.測繪科學，2002(4):35-38.

［8］喻雄.機載激光雷達在山區高速公路勘測中的應用［J］.測繪通報，2011(2):31-34.