機(jī)載LiDAR技術(shù)支持下的荒漠地區(qū)1∶10 000地形圖測(cè)繪與研究
——以內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)為例

王志明，李鎖樂(lè)

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測(cè)繪院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪地理信息局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

激光雷達(dá)技術(shù)(LiDAR)在近年來(lái)運(yùn)用日漸廣泛，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確獲取，并根據(jù)實(shí)時(shí)攝影數(shù)碼像片，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大型實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性，為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單、有效的手段。被稱為繼GPS以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命[1]。機(jī)載LiDAR是一種集激光測(cè)距、計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航、GPS差分定位和數(shù)碼影像獲取為一體的新型遙感技術(shù)。利用機(jī)載LiDAR同步獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，生產(chǎn)1∶10 000地形圖3D(DLG、DEM、DOM)產(chǎn)品，目前在國(guó)內(nèi)屬起步階段，本文以內(nèi)蒙古阿拉善盟(荒漠地區(qū))1∶10 000 3D產(chǎn)品的試驗(yàn)性生產(chǎn)，闡述LiDAR測(cè)圖在荒漠地區(qū)的可行性。

1 LiDAR生產(chǎn)3D產(chǎn)品技術(shù)流程

3D產(chǎn)品是我國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)重要構(gòu)成部分，也是有關(guān)行業(yè)開(kāi)展的基礎(chǔ)性資料。結(jié)合LiDAR數(shù)據(jù)獲取原理及點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)3D產(chǎn)品生產(chǎn)方法，總結(jié)出利用LiDAR技術(shù)生產(chǎn)3D產(chǎn)品技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗，1∶10 000地形圖共計(jì)234幅，是內(nèi)蒙古自治區(qū)2016年基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)。該區(qū)域地處烏蘭布和沙漠邊緣，植被稀少，主要為沙漠或荒漠，居民地、水系及交通要素少，主要測(cè)繪內(nèi)容為地貌要素，研究區(qū)域平均海拔800～1500 m，地形類(lèi)別為丘陵地。

2.2 實(shí)施過(guò)程

2.2.1 航空攝影

利用大棕熊飛機(jī)航空攝影，搭載的IMU型號(hào)為IMU57 AIMU-M4，航攝儀為T(mén)rimble AX80_LMS-Q1560，采用雙激光頭進(jìn)行地面激光掃描，點(diǎn)云密度為0.73點(diǎn)/m2；用于獲取真彩色影像數(shù)據(jù)的數(shù)碼相機(jī)為IQ180，地面分辨率為0.35 m，像元大小5.2 μm，滿足1∶10 000成圖要求。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

(1) 預(yù)處理。航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到點(diǎn)云成果、POS成果和影像成果，利用TerraSolid軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐航線進(jìn)行高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的正常高(測(cè)區(qū)高程異常模型數(shù)據(jù)已知)。

(2) 點(diǎn)云分類(lèi)處理。點(diǎn)云分類(lèi)的目的是去除地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保留地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云分類(lèi)分為粗差點(diǎn)分類(lèi)、自動(dòng)點(diǎn)云分類(lèi)、人工交互式點(diǎn)云分類(lèi)。

粗差點(diǎn)分類(lèi)：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)以及測(cè)量過(guò)程中的多路徑效應(yīng)、遮擋等使得在獲取數(shù)據(jù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粗差點(diǎn)，粗差點(diǎn)的分布一般沒(méi)有特定的規(guī)律，但它們對(duì)生產(chǎn)的DSM/DEM的精度和質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，必須將這些點(diǎn)分離出來(lái)。

自動(dòng)分類(lèi)：首先，按照給定的窗口區(qū)域，保證其大于最大建筑物尺寸，按照測(cè)區(qū)的城區(qū)建設(shè)情況，設(shè)定的最大值為60 m，以60 m為邊長(zhǎng)劃分格網(wǎng)，則在任一格網(wǎng)必定存在地面點(diǎn)，由于已處理了粗差點(diǎn)中的低點(diǎn)，此時(shí)即將格網(wǎng)內(nèi)的最低點(diǎn)當(dāng)作初始地面點(diǎn)，以初始地面點(diǎn)作為種子點(diǎn)，即可構(gòu)造最初始的不規(guī)則三角網(wǎng)；然后，分別計(jì)算待定點(diǎn)與距離最近的TIN頂點(diǎn)的連線和TIN平面的夾角，以及待定點(diǎn)到TIN的距離，按照給定的角度閾值和距離閾值進(jìn)行逐點(diǎn)判斷；最后，當(dāng)滿足條件的點(diǎn)加入地面點(diǎn)集合，進(jìn)一步生成新的TIN模型，如此不斷遍歷所有待定點(diǎn)，循環(huán)迭代，達(dá)到停止條件時(shí)得到最終結(jié)果。

人工交互式分類(lèi)：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)雖然能夠直接獲取目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)信息，但不能獲取物體表面的屬性信息。一方面由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺少光譜信息且呈離散狀分布，很難判斷各個(gè)點(diǎn)的確切類(lèi)別；另一方面，地表面上的地物種類(lèi)多樣、分布不規(guī)則，因而自動(dòng)分類(lèi)算法在某些地方的應(yīng)用效果不能達(dá)到成果要求，從而需要人工干預(yù)的方法進(jìn)行分類(lèi)。本次試驗(yàn)區(qū)采用LiDAR_Suite軟件，可以對(duì)指定的區(qū)域進(jìn)行不同算法的濾波分類(lèi)，減少純?nèi)斯し诸?lèi)的成本。

2.2.3 DEM生產(chǎn)

DEM(數(shù)字地面高程模型)需要保留的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)，將非地面點(diǎn)(地表建筑物、橋梁和樹(shù)木等地物)去除。將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇已分類(lèi)好的地面點(diǎn)和水域點(diǎn)，按照1∶10 000比例尺規(guī)則格網(wǎng)要求(格網(wǎng)間距5 m)生成DEM數(shù)據(jù)，同時(shí)為了滿足下一步依據(jù)DOM采集地物要素的需求，還需生成2.0 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)。DEM的質(zhì)量檢查通過(guò)生成高程暈渲圖，對(duì)暈渲圖中突變的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云的人工編輯分類(lèi)，修正完成后重新生成5.0 m格網(wǎng)DEM。

2.2.4 像片控制測(cè)量、空三加密及DOM生產(chǎn)

像片控制測(cè)量為生產(chǎn)DOM提供基礎(chǔ)控制點(diǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM已有高程信息，像控點(diǎn)布設(shè)為平面控制點(diǎn)即可。試驗(yàn)區(qū)航空影像采用帶有IMU和POS的航攝系統(tǒng)獲取，依規(guī)范按區(qū)域網(wǎng)四角布點(diǎn)法布點(diǎn)，其他像控點(diǎn)通過(guò)空三加密獲得，后期精度驗(yàn)證，此種布點(diǎn)方法滿足成圖精度要求。

DOM按常規(guī)生產(chǎn)，航空影像、空三成果，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，經(jīng)鑲嵌、裁切，生成分幅DOM，分辨率為1.0 m，作為下一步生產(chǎn)DLG的數(shù)據(jù)源。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.3.1 DLG點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示

DLG(數(shù)字線劃圖)生產(chǎn)是本文的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是創(chuàng)新之處。DLG采集在EPS軟件中進(jìn)行。點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載進(jìn)來(lái)有4種顯示方式：真彩色(如圖2所示)、循環(huán)著色、按高程著色(如圖3所示)、按強(qiáng)度著色。根據(jù)不同的地形選擇合適的顯示方式，更有助于直觀地辨別渠、坎、坡等地物要素，顏色的分層顯示提高了采集精度。荒漠地區(qū)一般選擇按高程著色。

圖2 真彩色

圖3 按高程著色

2.3.2 DLG等高線生成與處理

與傳統(tǒng)攝影測(cè)量在立體模型下測(cè)繪等高線不同，本次DLG中的等高線利用DEM成果生成，但由于點(diǎn)云密度大，高程精度高，生成的等高線多細(xì)小曲折及閉合小圈(如圖4所示)。在EPS軟件中對(duì)等高線化簡(jiǎn)給出了9種算法：默認(rèn)算法、徑向距離、垂直距離、平行線、限制長(zhǎng)度平行線、限制范圍垂距、道格拉斯、道格拉斯(變體)、道格拉斯(改進(jìn))。結(jié)合實(shí)際地形設(shè)置合適的參數(shù)作平滑處理，處理后的等高線基本無(wú)需人工干預(yù)，即滿足1∶10 000地形圖的表達(dá)(如圖5所示)。

圖4 直接由DEM生產(chǎn)的等高線

圖5 平滑處理后的等高線

高程點(diǎn)結(jié)合正射影像查找特征位置，高程值從點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，需要測(cè)注比高的地方(如路堤、陡崖等)，在正射影像上確定陡崖或路堤的位置，比高值按上下點(diǎn)云高程值求差獲得。

2.3.3 DLG高樓水平剖面與投影

投影方式有透視、自由、俯視(如圖6所示)、平視、斜視5種，根據(jù)采集的方位不同自由切換。如采集房頂時(shí)，選擇俯視投影，在房屋面上確定一個(gè)剖面，可以通過(guò)調(diào)節(jié)前后厚度確定輪廓范圍(如圖7所示)，因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度非常高，所以沿著輪廓線中線采集足以滿足精度要求。

圖6 俯視投影

圖7 水平剖面

2.3.4 DLG地物要素采集與編輯

地物要素依據(jù)DOM采集，同時(shí)參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)予以輔助，對(duì)有高度的地物，借助DEM、DSM數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定位后采集。采集過(guò)程中可對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行陰影渲染(如圖8所示)，輔助判斷渠、坎、坡等不能直接從DOM或海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的地物要素，并完善地物屬性信息。地物與地貌要素采集完成后，開(kāi)始數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)質(zhì)檢，最后整理入庫(kù)。

2.4 精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證點(diǎn)云高程精度、3D產(chǎn)品平面及高程精度，外業(yè)實(shí)地檢測(cè)碎部點(diǎn)389個(gè)，統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。

從精度統(tǒng)計(jì)表可知，使用機(jī)載LiDAR生產(chǎn)1∶10 000 3D產(chǎn)品，高程精度與平面精度都符合規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

3.1 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1) 與傳統(tǒng)攝影測(cè)量相比，LiDAR測(cè)圖只需較少野外像片控制點(diǎn)，減少了外業(yè)像控工作量，用機(jī)載LiDAR測(cè)圖成本僅為航空攝影測(cè)量成本的25%～33%；點(diǎn)云數(shù)據(jù)可生產(chǎn)高精度DEM，以及由DEM生成等高線，繼而生產(chǎn)DOM，具有自動(dòng)化程度高、人工干預(yù)少、成圖時(shí)間快等特點(diǎn)，特別是在荒漠和草原地區(qū)，地表覆蓋少，人工建筑物少，地形要素主要靠等高線來(lái)表達(dá)，優(yōu)勢(shì)更為突出。

(2) 機(jī)載LiDAR測(cè)圖解決了傳統(tǒng)攝影測(cè)量平面精度好而高程精度較差的弊病，攝影測(cè)量所獲得的平面精度要高出高程精度1/3，而機(jī)載LiDAR高程精度要高出平面精度2～5倍，機(jī)載LiDAR既保留了攝影測(cè)量的平面精度，又具有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度。

(3) 機(jī)載LiDAR受天氣因素影響小，可全天候作業(yè)，生產(chǎn)效率優(yōu)于航空攝影，對(duì)于更新地形圖地貌要素，尤為適用。在礦山開(kāi)采、土石方計(jì)算、水庫(kù)庫(kù)容量設(shè)計(jì)等方面，優(yōu)勢(shì)突出。

(4) 海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，可快速生產(chǎn)DSM。DSM在構(gòu)建三維實(shí)景、數(shù)字景觀等方面不可或缺，靠攝影測(cè)量手段生產(chǎn)DSM，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且精度受人眼視差影像。機(jī)載LiDAR技術(shù)不僅應(yīng)用在測(cè)繪領(lǐng)域，還應(yīng)用在電力、林業(yè)等領(lǐng)域。

3.2 局限與不足

(1) 點(diǎn)云分類(lèi)不能完全依賴軟件完成，對(duì)于特征地形點(diǎn)、水域、沖溝、陡坎等還需人工判斷。

(2) 機(jī)載LiDAR測(cè)圖實(shí)現(xiàn)了DEM自動(dòng)化生成，但DLG矢量數(shù)據(jù)(除等高線外)仍需人工采集。

(3) 本項(xiàng)目在荒漠無(wú)人區(qū)試驗(yàn)生產(chǎn)，DLG地物數(shù)量少，可依靠DOM采集生成，不需建立體模型，因此使用的航空影像航向重疊度和旁向重疊度未達(dá)到常規(guī)要求(航向重疊度65%，旁向重疊度35%)，如果LiDAR按常規(guī)飛行，則DLG采集可輔助于傳統(tǒng)攝影測(cè)量的立體建模，這對(duì)地物較復(fù)雜地區(qū)DLG地物的采集是一種很好的補(bǔ)充。

(4) LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等高線，保留了最大程度的真實(shí)地貌，但等高線不夠圓滑，地形微貌突出，宏觀地貌不夠明顯，為滿足1∶10 000地形圖制圖表達(dá)的要求，需適當(dāng)作平滑處理，以體現(xiàn)地形總貌。對(duì)于不同的地貌類(lèi)型及地形類(lèi)別，所給平滑參數(shù)不盡相同，本試驗(yàn)區(qū)為沙漠地貌，地形類(lèi)別為丘陵地，平滑參數(shù)設(shè)為50，較好地解決了這一問(wèn)題。