多源遙感數據在道路勘測中的應用

高文明

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

對穿越地形復雜，基本沒有道路可以通行，植被茂密、通視條件差、山坡陡峭的大面積測區進行地形圖測量，常規工程地形圖測量方法具有受通視條件影響大、外業工作強度大、采集的地貌特征點密度不夠或采集點不均勻、地形起伏很難精確表示等缺點，因此在該類測區采用全站儀采集數據獲取地形圖的方法已無優勢。現階段隨著航空攝影測量、機載激光雷達(以下簡稱機載LiDAR)、衛星遙感等技術應用相對成熟，可以綜合利用多源測量數據技術各自優勢，為道路工程勘測提供高精度測量基礎數據。

為提高數據精度和測量效率，本文介紹了一種采用機載LiDAR主動測量技術，結合高分遙感影像的多源數據融合的技術方法，為工程勘測提供一種新的技術選擇。

1　機載LiDAR技術

機載LiDAR技術是一種將激光技術、高動態載體姿態測定技術和高精度動態GPS差分定位技術相融合的技術，具有采集密度高、數據精度高、植被穿透能力強、不受陰影和太陽高度角影響等特點[1-4]。

機載激光雷達測量系統的主要組成部分為：動態差分GNSS接收機，用于確定激光雷達信號發射參考點的空間位置；姿態測量裝置(一般為慣性導航系統或多天線陳列GNSS系統)，用于測定掃描裝置的主光軸姿態參數；激光掃描儀，用于測定激光雷達信號發射參考點到地面激光腳點間的距離[5-6]。機載LiDAR測量作業原理如圖1所示，機載LiDAR測量激光采集方式如圖2所示，機載LiDAR技術的作業流程[7-8]如圖3所示。

機載LiDAR系統主要優勢和用途之一就是利用采集的點云數據快速制作高精度數字高程模型(DEM)，平原、丘陵地區的高程中誤差可達0.14 m，山地地區的高程中誤差可達0.41 m[9]，滿足1∶1000地形圖的精度要求[10-11]。缺點是與航空影像提取地物特征點的能力相比，利用機載LiDAR點云數據進行自動識別地物和提取特征點的準確度相對較低。

圖1　機載LiDAR測量作業原理

圖2　機載LiDAR測量激光采集方式

圖3　機載LiDAR技術作業流程

2　衛星遙感技術

基于遙感影像的測量方法是利用遙感影像獲取高精度地物數據和DEM數據，具有被動式取光成像、地物影像識別率高、生產周期短、不受地形情況限制等優點[12-13]。因此，自20世紀80年代初，我國陸續應用美國TM陸地衛星及法國SPOT等衛星圖像，通過對衛星圖像的判釋，查明線路經過地區的工程地質和地形條件，為線路初選階段的優化設計和技術決策提供科學依據。

隨著遙感技術的不斷發展，尤其是近幾年衛星成像的空間幾何分辨率逐步提高，目前最新一代商用遙感衛星分辨率已經達到0.31 m，通過高分辨率衛星影像可以準確解譯出更詳細的地物要素，為遙感數據在大比例尺地形高精度勘測中提供新的技術應用方向。

衛星影像生產流程[14-15]如圖4所示。

圖4　衛星影像生產流程

該方法的缺點是在植被茂密、地面難以到達的區域，外業工作難度大，且很難采集到植被遮擋處的真實地面點數據，故高程精度一般難以滿足大比例尺道路工程勘測的需求。

3　多源數據融合應用技術路線

機載LiDAR在高程信息獲取中具有先天技術優勢，并利用衛星影像進行輔助地物解譯和平面定位。基于上述兩種數據源提出以下生產工藝流程(如圖5所示)：

(1) 利用機載LiDAR技術獲取點云數據。

(2) 對點云數據預處理解算、航帶校正、濾波剔除非地面點后，提取地面點，制作DEM模型和等高線數據。

(3) 在衛星影像的基礎上，利用激光點云數據和控制點進行影像定向和正射糾正，制作DOM數據。

(4) 利用DOM數據進行地物矢量采集，結合點云數據及外業調繪成果對地物要素進行判讀。結合已制作的等高線數據，綜合編輯制作DLG成果數據。

圖5　多源遙感數據制作DLG成果

4　工程應用案例

本文以興延路工程第2標段為例，介紹利用機載LiDAR技術與遙感技術相結合的方法進行內外業數據生產的過程。

4.1　工程概況

興延路工程第2標段位于昌平區西北方向，屬于規劃興延路最北邊的一段，大致為南北走向，南起北京市昌平區北禾路千龍灘，北至延慶縣康莊鎮。地跨115°55′28″E—116°00′59″E、40°14′10″N—40°22′45″N之間，全線長19.8 km(如圖6所示)。測區以陡峭山地為主，海拔最低處約358 m，最高處山頭高約993 m，絕對高差635 m；且測區內多為懸崖峭壁、植被覆蓋率非常高，交通不便，部分地區人跡罕至。

圖6　興延路工程第2標段工作范圍示意圖

該項目需要對線路中心線兩邊各500 m范圍內進行地形測量，提供1∶2000地形圖成果。

4.2　機載LiDAR作業與成圖

由于工期緊張，項目在航飛設計時，只采集激光點云數據，不兼顧影像質量成果。這樣可以大大避免太陽高度角、不利天氣的影響，增加航攝時間窗口，短期內能快速獲取有利數據成果。

該項目選用徠卡ALS70機載LiDAR系統進行航飛作業采集，航攝參數設置見表1，航飛線路如圖7所示。

表1　機載LiDAR航攝參數

圖7　航線設計

4.2.1基站與控制點測量

本項目采用了1個市級地面CORS站為地面基站，GPS采樣間隔設置為1 s。

基于CORS站，采用了網絡RTK作業方式，在測區共布設了26個像控點。點位的選取原則為：選取地面明顯地物點，點位區域高程相對平坦，盡量選在旁向重疊中線附近，使控制點在相鄰航線能共用。

4.2.2坐標系統轉換

采用七參數模型，利用2套已知控制點坐標，將原始WGS-84坐標轉換成所需平面坐標系統。結合大地水準精化成果將轉換控制點大地高推算出對應的地方高程系，利用二次曲面擬合方式和2套坐標成果，將點云數據批量改正成地方高程。

4.2.3點云數據分類

利用TerraSolid軟件實現不同航帶點云數據的校正、分類濾波，剔除植被、構筑物等非地面點數據，得到真實地面點數據，并利用地面點制作數字高程模型(DEM)，如圖8所示。

4.3　遙感底圖與DLG成果的制作

本文利用3景0.4 m WorldView影像，可以覆蓋整個線路區域。

充分利用已有點云數據，并結合外業測量，在單景衛星影像四周和中間位置布設控制點，進行影像定向和糾正，制作數字正射影像圖(DOM)成果。

圖8　基于地面點云數據制作的DEM和等高線成果

利用ArcGIS軟件對影像進行內業矢量采集。首先，在DOM基礎上描繪地物要素，以圖幅為單位回放紙圖；其次，進行野外調繪與補測，主要對漏測的地物進行補測，對新增地物進行采集，對被遮擋地物進行編輯；然后，根據外業調繪成果和內業采集數據，再對矢量數據進行編輯、處理；最后結合等高線數據形成DLG數據成果，如圖9所示。

圖9　DLG成果

4.4　成果形式和精度驗證

利用機載LiDAR和遙感數據結合技術路線，本文除提供了項目規定的DLG成果以外，還提供了分類點云、DEM、DOM成果，如圖10所示，大大提高了后續線路設計的質量和效率。

圖10　DLG套合DOM成果

DLG成果質量檢測采用點位檢測的方法，分別利用全站儀和單基站RTK測量方式進行DLG的全野外檢測。檢測點的選取原則為在測區均勻分布、隨機選取的明顯地物點，1幅圖至少選取檢測點20個，檢測點總數不少于100個。

全線共55幅圖，共檢測7個圖幅共計334點，檢測結果為：平地、丘陵地區平面中誤差1.05 m、高程中誤差0.23 m；山地區域平面中誤差1.13 m、高程中誤差0.52 m。詳見表2、表3。

表2　平面中誤差統計

表3　高程中誤差統計

按照《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》中對1∶2000地形圖的平面位置中誤差(見表4)、高程中誤差(見表5)的要求，從檢測結果來看，利用LiDAR技術與遙感衛星影像融合測制的1∶2000比例尺地形圖數學精度能滿足相關規范要求。

表4　1∶2000地形圖的平面位置中誤差　m

表5　1∶2000地形圖的高程中誤差　m

5　結　語

利用機載LiDAR、衛星影像等多源數據融合制作工程所需地形成果的方法，在本項目中具有較強的實用性，在成果質量和成果形式完全滿足技術要求的同時，還大大縮短了工期，降低了外業工作強度，今后類似工程可以借鑒參考使用。

另外，隨著今后低空飛行平臺的不斷成熟，小型化激光掃描儀、數碼相機、傾斜攝影等多樣化的數據采集方式不斷涌現，大大降低航空數據采集和應用門檻。同時，大量國產商用衛星技術指標也逐步提高，不同空間分辨率的可用遙感衛星逐步增多。因此，今后多源空間數據獲取技術相互融合、借鑒及創新應用是未來幾年新的發展趨勢。傳統工程測量將從單一依靠外業實測，發展成不同觀測手段相結合的綜合應用領域，利用多源多尺度數據優勢，大大降低外業工作強度，提高效率。

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