城市高精度DEM生產(chǎn)方法及精度評(píng)定

（上海市測(cè)繪院，上海 200063）

隨著智慧城市的建設(shè)、城市運(yùn)行安全重要性的凸顯、精細(xì)化管理的深入，相關(guān)部門和公眾針對(duì)地理信息的需求在數(shù)據(jù)內(nèi)容、產(chǎn)品種類、精細(xì)程度等方面對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪提出了更高的要求。傳統(tǒng)DEM數(shù)據(jù)獲取方法有野外人工測(cè)量法、航空攝影測(cè)量方法、地形圖內(nèi)插法等[1-2]。但是，由于城市防災(zāi)、減災(zāi)和城市積澇分析[3]等應(yīng)用需要，原有的生產(chǎn)方式已經(jīng)不適應(yīng)目前的需求。采用移動(dòng)測(cè)量等技術(shù)手段生產(chǎn)城市易積水區(qū)域的高精度DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合三維地理信息系統(tǒng)，分析計(jì)算積水淹沒(méi)情況[4]，為城市防災(zāi)、減災(zāi)等專業(yè)部門的分析和應(yīng)用提供服務(wù)，為海綿城市建設(shè)和防汛防澇提供基礎(chǔ)地理信息支撐。

1 高精度DEM生產(chǎn)

本文采用的數(shù)據(jù)源為上海張江高科技園區(qū)采集的市政道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用移動(dòng)測(cè)量采集設(shè)備AS-900多平臺(tái)激光掃描系統(tǒng)對(duì)市政道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云糾正、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云編輯、高程格網(wǎng)構(gòu)建，形成高精度的DEM成果。

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括基站數(shù)據(jù)處理、POS數(shù)據(jù)解算及點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換。主要將采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解算，轉(zhuǎn)換為可處理的點(diǎn)云格式（常見(jiàn)的有LAS和XYZ格式）?；緮?shù)據(jù)處理主要是將原始的HCN文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和天線設(shè)置，生成Renix文件，使用CHCData軟件完成。POS解算采用Inertial Explorer8.7（簡(jiǎn)稱IE）后處理軟件進(jìn)行，可處理所有可用的GNSS、INS數(shù)據(jù)，提供高精度組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)等信息，采用Copre軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)as格式數(shù)據(jù)。

1.2 點(diǎn)云糾正

原始采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較低，利用預(yù)先布設(shè)和施測(cè)的平高控制點(diǎn)進(jìn)行糾正，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。點(diǎn)云糾正是點(diǎn)云處理中最重要的一步，點(diǎn)云的精度直接影響DEM的精度。利用預(yù)先采集的平高控制點(diǎn)與三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成同名點(diǎn)對(duì)，進(jìn)行點(diǎn)云糾正。為確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，控制點(diǎn)間隔200～300 m進(jìn)行布設(shè)采集。

1.3 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云濾波的主要目的是提取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并去除噪點(diǎn)，提取的地面點(diǎn)作為高精度DEM生產(chǎn)的源數(shù)據(jù)。對(duì)糾正后點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行孤立點(diǎn)濾波，消除孤立點(diǎn)噪聲，然后進(jìn)行點(diǎn)云分類并提取地面點(diǎn)云，建筑物、行人、自行車、汽車、行道樹等被去除。由于軟件的局限性，建筑物、行人、自行車、汽車、行道樹等非地面點(diǎn)不能被完全去除。濾波后點(diǎn)云如圖1所示。

圖1 濾波后點(diǎn)云

1.4 點(diǎn)云合并編輯

將生成的多個(gè)LAS文件按照上海市標(biāo)準(zhǔn)圖幅進(jìn)行合并裁切并進(jìn)行點(diǎn)云編輯?？紤]到高精度DEM成果不同圖幅間的接邊問(wèn)題，點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照上海市標(biāo)準(zhǔn)圖幅外擴(kuò)10 m進(jìn)行合并裁切。點(diǎn)云編輯有非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的刪除及地面特征點(diǎn)線的補(bǔ)充。

經(jīng)過(guò)點(diǎn)云濾波后非地面點(diǎn)不能完全被濾掉，需手動(dòng)刪除這些非地面點(diǎn)。點(diǎn)云刪除包含以下內(nèi)容：（1）道路上的汽車、行人、自行車等；（2）道路中心的隔離欄；（3）道路兩側(cè)及道路中心隔離帶中的行樹及其支架；（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的離散噪聲點(diǎn)；（5）建筑物、擋車桿及路障錐等；（6）道路兩側(cè)的標(biāo)識(shí)牌或廣告牌；（7）人行道外側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，僅保留人行道及道路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由于汽車行人遮擋等原因造成的點(diǎn)云缺失，需在地形特征點(diǎn)線缺失處補(bǔ)充三維特征點(diǎn)線。由于加點(diǎn)工作量大，且三維點(diǎn)高程需迭代內(nèi)插，極大降低了工作效率，影響工作進(jìn)度。為了解決該問(wèn)題，本文采用三維點(diǎn)構(gòu)建三維線的方式，補(bǔ)充地形特征線，極大提高了工作效率。具體步驟為：（1）利用編輯后點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建高程格網(wǎng)；（2）在地形特征線缺失處添加平面點(diǎn)并根據(jù)高程格網(wǎng)提取其高程；（3）根據(jù)三維點(diǎn)構(gòu)建三維線；（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維線一起構(gòu)建高程格網(wǎng)。編輯后點(diǎn)云如圖2所示，構(gòu)建三維點(diǎn)線如圖3所示。

圖2 編輯后點(diǎn)云

圖3 構(gòu)建三維點(diǎn)線

三維線與點(diǎn)云構(gòu)建高程格網(wǎng)如圖4所示。

圖4 三維線與點(diǎn)云構(gòu)建高程格網(wǎng)

1.5 高精度DEM生產(chǎn)

精編后的三維點(diǎn)云按照標(biāo)準(zhǔn)圖幅構(gòu)建高程格網(wǎng)，生成高精度DEM。高精度DEM生產(chǎn)采用Global Mapper軟件，采用構(gòu)建高程格網(wǎng)的方法。為保證高精度DEM的精度，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不做抽稀處理，與三維點(diǎn)一起直接構(gòu)建高程格網(wǎng)如圖5所示。

圖5 高精度DEM成果

2 DEM精度評(píng)定

DEM精度評(píng)定是高精度DEM生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)。為了保障成果的質(zhì)量，在掃描作業(yè)路線上選擇若干個(gè)地物特征點(diǎn)或道路標(biāo)識(shí)線作為高程檢查點(diǎn)。計(jì)算實(shí)地測(cè)量高程值與數(shù)字高程模型內(nèi)插高程值較差，計(jì)算高程中誤差[5]。精度評(píng)定的計(jì)算如下：

式中：n——檢查點(diǎn)數(shù)；v——高程實(shí)地測(cè)量值與內(nèi)插值之間的誤差。

此次參與精度評(píng)定的總檢查點(diǎn)數(shù)為309個(gè)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，其高差誤差為0.068 m。

3 結(jié)語(yǔ)

城市高精度DEM已成為城市建設(shè)不可或缺的一部分，本文利用三維激光點(diǎn)云掃描的方法制作高精度DEM，并對(duì)其進(jìn)行精度分析，高程精度滿足應(yīng)用需求。但部分點(diǎn)云由于樹木、行人、建筑物、自行車、汽車等遮擋存在缺失現(xiàn)象，導(dǎo)致部分地形特征點(diǎn)線丟失。針對(duì)該問(wèn)題，在今后的高精度DEM生產(chǎn)中，可通過(guò)兩種方法解決：（1）當(dāng)?shù)缆份^寬或存在行樹隔離帶時(shí)，采用行樹兩側(cè)雙向掃描的方法采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）選擇人流量和車流量較少的時(shí)間段（0：00～6：00）作業(yè)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該方法同時(shí)解決了點(diǎn)云編輯工作量大的問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DEM數(shù)據(jù)獲取手段更加豐富，機(jī)載、車載、背包式三維激光掃描技術(shù)的廣泛使用，使得高精度DEM應(yīng)用更加廣泛。本文采用的高精度DEM生產(chǎn)方法，證明其精度能夠滿足其應(yīng)用要求。在今后的高精度DEM生產(chǎn)中，將綜合使用各種技術(shù)手段進(jìn)行高精度DEM生產(chǎn)，為高精度DEM應(yīng)用提供更廣闊的應(yīng)用空間。