基于機載激光雷達技術的DEM 更新關鍵技術研究

謝 瑜

（廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075）

0.引言

數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），是一定區域范圍內規則格網點的平面坐標（X，Y）及其高程（Z）的數據[1]，廣泛應用于地形分析中，是各類專題圖繪制基礎。

現階段DEM通過采用航空攝影測量技術，該技術生產周期長、操作復雜無法適用現階段社會快速發展需求[1]。

機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）技術，是一種主動式、新型對地觀測技術，獲取數據方式主要通過機載激光發射器發射激光然后接收被測物體所反射的信號，對其距離、角度、位置等觀測數據進行分析，以獲得被測物體表面的三維坐標[2]。

對比傳統航空攝影技術，機載激光雷達技術，對地探測能力強，能夠精準地反映地形的真實情況，能透過部分遮擋直接獲取地表真實的三維信息，高程精度高，提供密集的點云數據，數據獲取速度快，受天氣等外界環境影響較小，可全天全時段不間斷工作。現階段激光雷達技術在變形監測、應急測繪、資源管理、三維建模、林業治理、電力設計、基礎測繪、道路交通等各個行業均有廣泛的應用[3]。

通過激光雷達系統獲得的激光點云數據，具有離散性且分布不均勻，激光點云是表示目標物體表面三維坐標的海量點的集合，不能直接表達物體屬性，本文通過對激光點云數據進行濾波與分類，構建高精度DEM模型，實現廣東省1∶2000 DEM模型的數據更新。具體流程（如圖1所示）：

圖1 點云數據的獲取與處理流程圖

1.機載激光雷達技術工作原理

機載激光雷達傳感器首先發射脈沖激光同時可接受反射回來的激光，通過分析所接收的反射激光的反射角度、距離、頻率以及返回波的強弱情況等信息，使用光電成像技術分析上述信息計算得到被測物體數字成像數據，同時結合POS定位定姿計算分析測算被測物體位姿坐標，進一步通過內業聯合解算、檢校場定標等綜合處理后可得到長條形的地面區域成像信息和三維坐標（X,Y,Z）位置信息，得到激光雷達點云數據。

機載激光以激光束為介質通過計算主波與地面回波脈沖光波之間的時間延遲，計算傳感器與地面采樣點的距離，其測距基本原理可表示為：

其中,R為傳感器到目標物體的距離；C為光速；t為激光脈沖從激光器到被測目標的往返傳輸時間[3]

機載激光雷達大多由3大系統構成包括：激光掃描系統、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）[4]（如圖2所示）：

通常情況，機載激光雷達系統測量所得到的原始數據分為兩部分：一部分為對應瞬時掃描角的激光掃描測距數據[5]；另一部分為導航定位定向數據，包括差分GPS數據和IMU數據；這兩部分數據均以通過控制時間間隔的方式來控制數據采集頻率。經過對GPS導航數據后處理、姿態確定、時間同步、偏差糾正、檢校場定標等一系列的處理后，最終得到激光點的三維坐標[6]。

圖2 激光雷達系統

2.基于LiDAR點云數據DEM更新關鍵技術

2.1 點云數據的預處理

首先將原始激光數據轉為點云數據，結合GNSS數據、IMU數據解算瞬時航跡。預處理過程主要包括：POS預處理、坐標轉換、系統差改正、航帶拼接、噪聲點剔除等。

點云數據不能表達物體屬性信息，需進行點云分類處理，一般以不同地物的形狀特征、反射情況進行點云分類處理[3]。

地面點是反映地形真實起伏，地表面的點，包括落在道路、廣場、堤壩等反映地表形態的地物之上的點；非地面點主要指落在各種高于地面的地物上的點，如，建筑物、植被、管線、橋梁上的點。

2.2 點云數據處理整體要求

（1）已有地面點需通過人工剖面準確分類；

（2）在建筑物、植被遮擋，客觀沒有地面點情況下，可以通過添加少量關鍵地面點或特征線的方式找回能夠推斷的地形特征；

（3）在（1）沒有完成情況下不得采用（2）方法恢復地面模型；

（4）城市人工建筑復雜的地形條件下，以找出可識別的地面點為基本原則，無法推斷的區域，按照實際分類結果內插處理，無需自行加點或線；

（5）以下技術要求適用于單獨存在的情況下，同一地物同時符合多項指標時應保持處理的一致性及處理結果的連續性。

2.3 數據處理細則與質量驗收

2.3.1 點云濾波

相同地形采用同一濾波方法（反射強度、回波次數、地物形狀等算法組合）批處理進行點云初分類、調整參數局部濾波，然后人工進行精細分類。

濾波結果質量要求：平坦地區沒有明顯的突變點，植被不太密集的山地地形過渡平滑自然，一般無明顯突變點；植被密集覆蓋的山地，能夠表示出基本的山體形態，在確定無地面點的情況下，允許出現數據空白區或數據不連續。

2.3.2 水體處理

（1）面積小于400m2的靜止水域以及寬度小于5m的河流或溝渠，不用強制恢復水體邊界，準確分類已有地面點即可；

（2）面積在400-2000m2之間的靜止水域、寬度大于等于5m的流動水域（江、河或溝渠）：

濾波后能夠清晰完整表達水體邊界及水域高程，不用添加特征線強制置平水體。

濾波后能夠清晰完整表達大部分的水體邊界及水域高程，存在邊界植被、建筑密集，局部無法完整表示時，可添加少量關鍵地面點或特征線的方式恢復水體邊界；

（3）面積大于200m2的靜止水域根據采集的水涯線（特征線）構建三角網。

2.4 田坎、規則隴田及塘基處理

（1）寬度大于5m的田坎及塘基需要完整表達邊界、邊界植被、建筑密集，局部無法完整表示時，需要添加少量關鍵地面點或特征線的方式恢復邊界；

（2）寬度小于5m的田坎及塘基準確分類已有地面點即可；

（3）田坎及塘基上方由于低矮植被覆蓋，無法區分地面點與植被點時，通過人工剖面將最底一層作為地面點，分類后要求渲染效果平緩，較少毛刺；

（4）規則隴田中隴寬小于4m，保留首次濾波后的狀態；隴寬大于4m，需要表達隴邊界，可以采用局部濾波調整參數恢復邊界。

2.5 建筑物處理

建筑物濾波后出現的無地面點云數據空白區，由于面積通常較小，且建筑物所在處通常地面較平整，因此，一般由周邊點云數據直接內插建模，部分建筑物濾波后，按此方式內插建模后，可能出現地基兩側不平的情況（在建筑物靠山、坡、坎的交接地帶、城市超高大型建筑（群）表現尤其明顯）。

當建筑（群）面積大于800m2時，且四周最大高差大于1m時，應進行地基平整處理，完整表達邊界（邊界植被、建筑密集，局部無法完整表示時，需要添加少量關鍵地面點或特征線的方式恢復邊界）；建筑位于坎邊界時，需要表達出坎的連續性；其他情況下，準確分類已有地面點即可，DEM采用內插生成。

2.6 城市道路隧道、地下停車場及下沉式建筑等出入口處理

（1）城市道路隧道出入口、地下停車場出入口的露天部分點云數據分為非地面點。其他下沉建筑出入口寬度小于等于5m的露天部分點云數據分為非地面點；大于5m的按照下沉式建筑處理；

（2）下沉式建筑（景觀花圃、花壇）面積大于1000m2時，下沉的地基（花圃、花壇的裸地表面）作為地面點參與構建三角網；小于1000m2時，將下沉范圍內的點全部分為非地面點。

2.7 空白區處理

植被密集覆蓋區，濾除非地面點后出現的零散無數據區域，處理方式如下：

（1）位于平地的此類地面點數據空白區，制作數字高程模型時，由周邊地面點內插；

（2）對于丘陵地、山地的面積小于等于400m2的此類地面點數據空白區，制作數字高程模型時，由周邊點云內插；

（3）對于丘陵地、山地的面積大于400m2的此類地面點數據空白區，可在數據空白區截取斷面，通過已有或周邊地面點及植被高度按區域添加輔助點擬合出該區域地面，并采集其范圍作為高程推測區；

（4）對于（2）、（3）困難地區無法精確反映實際地形時，只要求體現區域的主要地形輪廓，如，主要的山脊、山谷、高低點等，其他次要的細節可忽略；同時，在核實地面點云數據無誤或建模精修無誤后，不要求其坡度過渡平滑自然，允許其暈渲圖存在棱角不光滑的現象。

2.8 工程特殊案例分析

（1）由于山地地形特殊，山脊主要特征點恢復，一般無明顯突變點，在確定無地面點的情況下，當山上出現被雨水沖刷的沖溝（雨裂）時，人工分類處理后會存在毛刺較多的現象（如圖3所示），這種數據空白區或數據不連續是允許存在的。

圖3 山上沖溝（雨裂）

（2）山谷平三角處理方法。山谷平三角較小，不影響地形表達時，無需處理；若出現較大的平三角，且根據周圍已有地面點可以推斷地形時，需添加特征線保持山谷的連續性；若植被較密，遮擋嚴重時，無法推斷，則按照實際分類結果內插處理，無需自行加點或線（如圖4所示）：

圖4 山谷平三角

（3）陡崖處理方法。地形坡度大于80°的陡崖，把陡崖頂端和底端關鍵特征點準確分類，中間都分為非地面點。由于地形陡峭，高程突變，部分區域無法獲取點云數據，此區域按照實際分類結果內插處理，無需自行加點或線（如圖5所示）：

圖5 陡崖

2.9 DEM質量評定

依據GB/T 18316-2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》及CH/T 1026-2012《數字高程模型質量檢驗技術規程》對DEM數據進行驗收。廣州省DEM更新項目嚴格實行“二級檢查一級驗收”制度，作業人員進行一級檢查，質量管理部門二級100%詳查，給出檢查報告，項目成果報省測繪產品質量監督檢驗中心組織驗收。

成果檢查驗收的主要質量元素有：空間參考系、時間精度、位置精度、邏輯一致性、柵格質量以及附件質量。

DEM成果的檢查內容主要有：

（1）空間參考系。LiDAR點云數據的平面坐標系統、高程基準，成果數據地圖投影參數；

（2）邏輯一致性。參照原始點云數據，檢查成果點云數據個數及平面坐標、高程的一致性；

（3）點云分類。地面點云表面模型連續性；地面點的剖面圖形態；特征數據位置的合理性及高程的正確性；河流邊線的高程值應從上游到下游逐漸降低，湖泊、水庫、池塘等靜止水體范圍內的DEM高程值是否一致；分類結果與參考資料是否套合，所分類點與影像范圍是否一致；數據格式及文件命名是否符合設計要求。

3.實驗與分析

3.1 工程概況

測量任務范圍位于廣東省中西部，地貌復雜，氣候多變，水網縱橫。任務區覆蓋大陸部分和距離海岸線800m以內的島礁，以及川山群島、東山島等面積較大的島嶼，不包括遠海的島礁如萬山群島、擔桿列島等，省界處外擴不少于500m。

在機載LiDAR點云獲取過程中航攝執行同時采集了一定數量的地面檢查點對點云數據及DEM數據進行高程精度檢測。

地面檢查點選點方案：每個攝區選取5%的面積作為高程精度驗證區進行野外實地施測，每個高程精度驗證區范圍為一個DEM成圖單元。在攝區四周、四角邊緣處、航線首末端、航帶間重疊區域必須選取高程精度驗證區，其他位置應選取精度控制較弱，并能實現外業控制的區域，分布盡量均勻。每個精度驗證區不少于15個檢查點，且點位分布均勻，地物類別豐富，要求點位高程變化應平緩，避免選擇高程突變的區域。

高程中誤差限差最大允許誤差一般不能超過限差的2倍，植被密集區域、易形成鏡面反射、水域等特殊困難地區，點云高程中誤差可為正常值的0.5倍。點云及DEM高程精度要求（如表1所示）：

表1 點云及DEM高程精度要求

3.2 點云及DEM高程精度

對平地和丘陵地進行數據統計，其中平地點云檢核點178個，中誤差為0.182m，DEM檢核點202個，中誤差為0.291m，數據統計（如表2所示），丘陵點云檢核點227個，中誤差為0.222m，DEM檢核點193個，中誤差為0.311m，數據統計（如表3所示）：

表2 平地點云和DEM高程精度統計

表3 丘陵地點云和DEM高程精度統計

從表2、表3可以看出：

（1）平地DEM高程精度高于丘陵地區DEM高程精度，說明地形特征對基于激光點云生產的DEM高程精度影響較大，在地形較平坦的地區，DEM高程精度較高；

（2）平地點云高程精度略高于丘陵地點云高程精度，說明傳感器相同且在相同氣候環境情況下，點云高程精度受地形特征影響較小，受其他因素如地表特征影響較大；

（3）丘陵地區植被茂盛，點云密度受植被影響較大，繪制地形圖是需合理適當增加點云密度，進行內插高程值。

4.結束語

基于機載激光雷達技術進行1∶2000 DEM更新是現階段最合理的生產方法，基于該方法可實現大批量點云數據的高精度獲取，基于點云數據更新DEM提高生產效率。本文從激光雷達技術原理構成出發，從多個方面詳細闡述了點云數據濾波處理的關鍵技術，提高了工作效率節省了時間，同時對點云數據和DEM高程精度進行了精度評定，總結了精度影響因素，為下一步高精度制作DEM做好了充分準備，希望本文能為同類型DEM更新項目提供借鑒。