基于多數據源的高精度城市地表高程提取研究

文｜中國城市科學研究會 鄭云梅 吳潔 張勝雷/北京城建六建設集團有限公司 王強/北京治元景行科技有限公司 趙永鵬

1 引言

近些年來，城市內澇及面源污染問題逐漸成為威脅城市安全運行的最主要問題。為實現城市規劃合理控制地表徑流的目的和要求，其中一項基本工作是獲取基于徑流系數的城市地表空間類型信息。城市地表空間類型包括下凹式綠地、河湖緩沖區等，因而要獲取城市地表空間類型，需獲取高精度城市數字高程模型（DEM）。目前免費獲取DEM的途徑為網上下載公開的SRTM 數據，但分辨率僅為30 米，精度低，不能滿足城市地表空間類型識別的需要。其他高精度數字高程模型獲取途徑包括機載激光雷達數據、數字航空攝影測量和地形圖等。

傳統利用野外實測建立大比例尺地形圖的方法往往成本高、效率低。利用地形圖獲取DEM，主要通過提取地形圖中高程點，再通過內插的方法得到DEM。地形圖比例尺決定了DEM 的精度。機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一種對地表空間和特征信息的直接定位新技術，能夠快速獲取地表高精度的數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）數據進而獲取高精度DEM。通過機載激光雷達數據提取DEM 的成本高，理論上精度最高。早在2011年時國家出臺了《機載激光雷達數據處理技術規范》（CH/T 8023-2011）。學者們也做了大量Lidar 生產DEM 方面的研究，DEM 精度均較高。如李春曉、丁黎等（2016）利用某一城區0.3 個點/平方米機載雷達點云，經不規則三角網算法濾波，抽稀、自然鄰域插值法，最終生成了高精度城區DEM；周琦、韓富圓等（2019年）為驗證Lidar-DP 系統生產DEM 技術方法，按照2011年國家出臺《機載激光雷達數據處理技術規范》（CH/T 8023-2011），生產了1∶2000 比例尺DEM。

航空攝影測量指的是在飛機上用航攝儀器對地面連續攝取像片，結合地面控制點測量、調繪和立體測繪等步驟，獲取DEM、DOM 等圖件的過程。航空攝影測量生產高精度DEM 由于其生產成本低、精度較高被廣泛研究。2010年國家頒布了《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/Z 3003-2010)。學者們也做了大量研究發現其精度也較高，如胡榮明、張敏等（2011年）基于無人機低空影像生成1∶1000 比例尺正射影像時構建了DEM，利用檢查點法計算不柵格尺寸的DEM 精度，發現2.5m 時DEM 的精度最高，高程中誤差為0.0517。

通過文獻檢索發現，目前針對地形圖、機載激光雷達、航空影像等多種數據源生產高精度DEM 的對比研究較少，大部分都利用一種數據制作DEM。因此本研究擬通過地形圖、機載激光雷達、傾斜影像等多種數據源探索一種經濟快捷的獲取高精度DEM的途徑，為城市地表空間類型信息獲取過程中高精度DEM 的獲取提供參考。

2 研究區及數據簡介

2.1 研究區概況

研究區位于長江、京杭大運河交匯處，江蘇省鎮江市區西南部潤州區北部，東與鎮江市京口區毗鄰，經緯度范 圍 為：119 ° 23 ′ E～119 ° 27 ′ E，32°11′～32°14′N，東西長約4.75 公里，南北長約3.37公里，面積約為9.175平方公里，如圖1所示。該區域地形起伏不大，高差從0 米至50 米，高差較小。該區地處中國經濟最活躍的長三角核心區域，居民小區樓房眾多，交通發達。氣候方面屬北亞熱帶季風氣候帶，具有明顯的季風性、過渡性、變異性氣候特點：春秋季短，為季風轉換季節，氣候溫和；冬夏季長，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。

2.2 數據源

本研究數據源主要包括：（1）從鎮江市勘察測繪研究院購置的鎮江主城區1∶500 比例尺地形圖原始測繪高程點。（2）鎮江市勘察測繪研究院采集的25 個外業RTK 像控點數據成果表。（3）從北京數字綠土科技有限公司購置的2017年3月鎮江主城區沿內湖區域9.175 平方公里機載激光雷達數據、傾斜影像。激光雷達和傾斜影像數據采用自主獨立設計集成的機載激光雷達系統Li-Eagle 進行作業，該系統集成了國際先進的激光雷達系統、計算機自動導航系統、高精度的慣性導航系統IMARFSNS 及高分辨率的佳能5D MarkII 數碼相機，具備高效率、高精度、高可靠性的優勢。動力三角翼的航線高度為320 米，獲取的激光雷達點云密度約14-25 個點/平方米。傾斜影像的旁向重疊度為50%，航向重疊度為70%，地面分辨率為5cm。

圖1 研究區范圍

圖2 點云數據生產DEM 流程圖

圖3 鎮江主城區激光雷達點云密度圖（左）、傾斜影像點云密度圖（右）

2.3 數據預處理

數據預處理主要包括前期預處理和坐標轉換兩步。機載激光雷達點云數據前期預處理主要包括兩步，一是利用IE 航跡解算軟件進行pos 解算。二是使用POFImport 工具、RiProcess 軟件對點云進行解算。經過相鄰航帶間平面和高程匹配方面的檢查，點云數據匹配精度滿足1∶1000 精度要求；傾斜影像數據前期預處理主要包括兩步，一是利用smart3d 軟件構建s3c 模型，二是利用Pix4D軟件生成點云數據。

機載激光雷達點云數據和傾斜影像數據獲取的點云數據的坐標轉換利用Terrasolid軟件進行，通過選取25 個外業RTK 像控點數據成果表中5 個像控點建立了WGS84 橢球（UTM50N）坐標和CGCS2000 坐標之間的轉換關系，并結合剩余20 個點進行坐標轉換精度驗證，經過比較，坐標轉換參數精度滿足相應規范要求。

3 DEM 提取方法

為高效獲取高精度DEM，本研究中機載激光雷達點云數據生產DEM 流程按照《機載激光雷達數據處理技術規范》（CH/T 8023-2011）進行，傾斜影像獲取的點云數據生產DEM 流程亦按照該技術規范中點云濾波分類技術流程進行。由于本研究中地形圖比例尺為1∶500，精度超出了機載激光雷達點云和傾斜影像數據獲取的點云數據，因此采用該數據原始測繪高程點對上面兩種方法生產的DEM 精度進行分析。

4 DEM 提取過程

本研究DEM 提取流程，包括點云密度統計、噪聲點過濾、自動分類、人工編輯、DEM 生成等5 步，主要利用Envi Lidar 軟件進行提取，提取流程如圖2所示。具體提取過程如下：

4.1 點云密度檢查

在Terrasolid 軟件中打開任一航帶點云數據，使用Terrasolid 軟件點云統計密度工具進行點密度統計。受測區地形起伏、航線覆蓋范圍內河流、池塘等的影響，激光雷達點云密度約14-25 個點/平方米（如圖3所示），根據《CHT 8023-2011 機載激光雷達數據處理技術規范》，滿足1∶1000 比例尺精度要求。傾斜影像點云密度在0.25 個點/平方米以上（如圖3所示）。

4.2 噪聲點過濾

噪聲點過濾主要是提取明顯低于地面的點或點群、明顯高于地表目標的點或點群，以及移動的地物點，即低點、空中點以及移動地物點。利用ENVI Lidar 軟件中高度設置功能，過濾噪聲點云。

4.3 點云數據分類與信息提取

由于本研究目標為提取1:1000 高精度DEM，因此根據相關規范，將DEM 數據輸出網格大小設置為1 米，系統自動計算生成DEM、樹木、房屋等信息；其參數設置及處理方法功能如圖4、5 所示：

圖4 DEM 自動提取參數設置圖

圖5 點云數據分類與信息提取圖

圖6 點云數據結果編輯圖

圖7 鎮江主城區激光雷達點云數據生產的DEM 數據

圖8 鎮江主城區機載傾斜影像點云生產的DEM 數據

4.4 DEM 數據編輯及保存

人工交互編輯的目的是剔除自動分類沒有濾掉的部分粗差和未分類正確的激光點。利用Envi lidar 的QA 模式只需按一下特定的數據點，便可以修改其屬性。可用平滑，修改誤分類或調整個別結果的方法來對DEM進行修正，包括建筑物、樹木的形狀、高度等，實現DEM 的精細化處理，其處理界面如圖6所示。

最終利用激光雷達點云數據、傾斜影像點云制作得到的DEM 如圖7、8 所示。

表1 基于1∶500 比例尺地形圖原始高程點的DEM 精度統計表

表2 基于像控點的DEM 精度統計表

5 精度評價

5.1 基于1∶500 比例尺地形圖原始高程點數據精度評價

從1∶500 地形圖原始測繪高程點中隨機篩選了位于道路上的500 個點，對傾斜影像與機載激光雷達點云數據生產的DEM 進行精度評價，結果如表1所示。可知，傾斜影像數據生產的DEM 最大高差為0.293 米，激光雷達點云數據生產的DEM 最大高差為0.141 米。可見激光雷達點云數據生產的DEM 精度明顯較高。

5.2 基于像控點的精度評價

基于鎮江勘察測繪研究院采集的像控點對傾斜影像與機載激光雷達點云數據生產的DEM 進行精度評價，結果如表2所示。可知，傾斜影像數據生產的DEM 最大高差為0.372米，激光雷達點云數據生產的DEM 最大高差為0.093 米。

由于地形圖獲取時間與機載激光雷達點云、傾斜影像獲取時間不一致，精度評價結果略有差異，但精度基本一致，機載激光雷達點云獲取的DEM 精度較高，最大高差為0.093m，較符合城市地表空間識別的需求。

6 獲取成本和工作量分析

1∶1000DEM 獲取來源主要包括激光雷達點云數據、傾斜影像獲取，或直接購置1∶1000DEM 成果。從數據源獲取成本角度來說，根據表3三方詢價結果，可知鎮江10 平方公里激光雷達數據采集總費用在15萬元以上，航空影像成本較低，為5～6 萬元。根據《測繪工程產品價格》，1∶1000DEM產品價格為770.34 元/幅（研究區地形較為平坦，因此按照最容易級別價格進行計算），每幅面積為0.2 平方公里，因此研究區1∶1000 比例尺DEM 市場價為3.8517萬元，可見激光雷達數據采集費用明顯高于1∶1000 比例尺DEM 購置費用。

從數據源制作角度來說，對于類似于鎮江主城區這種較為平坦的區域來說，由于1∶1000DEM 制作需獲取大量的高精度實測點，需投入大量的工作人員和時間才能獲取。但對于處于山地、丘陵地區的城市來說，隨著地形起伏程度的不斷加大，地形圖實測點信息的獲取難度增加，特別對于喀斯特地貌等情況，更是難上加難，已不是工作量的事情。因此對于這類地區來說，通過機載激光雷達數據，無疑是獲取高精度DEM 的最佳方式。

表3 鎮江主城區激光雷達和真彩色數據采集價格統計表

7 結論

本研究通過鎮江主城區潤州北部約10平方公里機載激光雷達點云數據、傾斜影像生產1∶1000 比例尺DOM 影像過程中生成的點云數據，按照點云數據處理規范生產了高精度DEM 數據。通過精度比較和驗證，結果表明機載激光雷達點云數據精度較高。結合1∶1000 比例尺DEM 市場價，機載激光雷達點云數據、傾斜影像數據獲取成本進行分析。可知機載激光雷達點云數據成本高，其生產的DEM 精度最高。傾斜影像數據成本次之，精度略低。通過直接購置1:1000 比例尺DEM 成本最低，精度也較高，但本結論僅適用于地形較為平坦的區域，對于城市地形起伏較大的區域，還需進一步研究。