基于機(jī)載激光掃描技術(shù)的城市大比例尺建筑地形測繪

王仲磊 龐健

（廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519000）

1 引言

機(jī)載激光掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)七八十年代加拿大和美國的一些實(shí)驗(yàn)中。利用機(jī)載激光掃描獲取的數(shù)據(jù)包含空間三維信息與強(qiáng)度信息，在制作數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型等產(chǎn)品中有著廣泛應(yīng)用。目前，世界上存在多家較為成熟的機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，以英國IGI公司的某一機(jī)載激光掃描系統(tǒng)為例，可以每秒向外發(fā)射超過24000個(gè)點(diǎn)來獲取地面的三維點(diǎn)坐標(biāo)[1]。

目前，國內(nèi)主要利用機(jī)載激光掃描技術(shù)開展中小比例尺地形圖測繪，鮮有利用該技術(shù)開展大比例尺地形圖測繪[2]。本文以城市區(qū)域1∶1000地形圖測繪為例，研究基于機(jī)載激光掃描技術(shù)的1∶1000大比例尺地形圖中建筑物地形測繪。以直升機(jī)平臺搭載華測導(dǎo)航AS900激光掃描系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物矢量提取、外業(yè)調(diào)繪、數(shù)據(jù)編輯，最終完成測區(qū)20平方公里范圍內(nèi)部分建筑物地形測繪。

2 機(jī)載激光掃描及數(shù)據(jù)采集

機(jī)載激光掃描的主要工作有：（1）多基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集：在機(jī)載激光掃描作業(yè)時(shí)，在地面基站上架站GNSS接收機(jī)與機(jī)載移動(dòng)站GNSS接收機(jī)，同步接收衛(wèi)星信號進(jìn)行觀測。（2）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)采集：機(jī)載激光掃描前需要進(jìn)行5分鐘的初始化，初始化完成后，直升機(jī)開始升空進(jìn)行動(dòng)態(tài)初始化。（3）數(shù)據(jù)拷貝與檢查 ：將掃描數(shù)據(jù)與機(jī)載GNSS接收數(shù)據(jù)以及基站GNSS數(shù)據(jù)等拷貝至電腦，查看數(shù)據(jù)的完整性與正確性。（4）機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)解算：首先利用采集的GNSS數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行軌跡的解算，再通過軌跡將原始點(diǎn)云進(jìn)行解算[3]。

3 機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)解算

3.1 POS數(shù)據(jù)解算

本文機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)POS解算采用Inertial Explorer（簡稱IE）后處理軟件，POS數(shù)據(jù)解算的步驟主要為 ：（1）新建工程 ：新建機(jī)載點(diǎn)云掃描工程文件，文件中包含原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)等。（2）原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：將基站GNSS數(shù)據(jù)與移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IE處理軟件可識別的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為GPB格式。（3）添加基準(zhǔn)站、移動(dòng)站原始數(shù)據(jù)：將基站GNSS數(shù)據(jù)與移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)添加到IE處理軟件中進(jìn)行差分處理。（4）GNSS/INS組合解算：利用GNSS數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)對機(jī)載運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行解算，獲得準(zhǔn)確且高精度的軌跡數(shù)據(jù)。（5）輸出軌跡結(jié)果：將解算完成的軌跡數(shù)據(jù)以固定格式輸出，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算流程為：（1）準(zhǔn)備解算好的POS數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)。（2）在機(jī)載點(diǎn)云解算軟件中新建工程，添加POS數(shù)據(jù)與原始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。（3）通過軌跡數(shù)據(jù)與采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，生成機(jī)載三維點(diǎn)云，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84，123°中央經(jīng)線高斯投影坐標(biāo)，大地高系統(tǒng)。（4）整理影像，通過影像為點(diǎn)云上色，制作彩色點(diǎn)云[4]。圖1為通過解算且上色后得到的機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，解算后得到的點(diǎn)云密度約為750 pt/m2。

圖1 解算后得到的機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 大比例尺建筑物地形制作

利用機(jī)載激光掃描技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖建筑物地形制作采用先內(nèi)后外的作業(yè)模式，即先利用機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)要素提取，再綜合測圖成果進(jìn)行調(diào)繪，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯；對點(diǎn)云缺漏與被遮擋區(qū)域，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)編輯的方式進(jìn)行補(bǔ)測[5]。

4.1 矢量數(shù)據(jù)采集

4.1.1 矢量數(shù)據(jù)采集流程

以圖2為例，利用機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物矢量提取。采集矢量數(shù)據(jù)時(shí)將84坐標(biāo)系點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為本地坐標(biāo)系點(diǎn)云。通過剖面不斷調(diào)整高程，確定建（構(gòu)）筑物的有效長邊，再利用線相交功能將相鄰長邊進(jìn)行連接，得到相應(yīng)建筑物角點(diǎn)信息；短邊的獲取依據(jù)有效點(diǎn)云，根據(jù)房屋短邊特征連接到房屋長邊。

圖2 根據(jù)機(jī)載點(diǎn)云提取建（構(gòu)）筑物信息

4.2 綜合補(bǔ)測與調(diào)繪

制定嚴(yán)格的補(bǔ)測與調(diào)繪計(jì)劃，首先研究測區(qū)概況與地形特征，安排人員依照制定的路線進(jìn)行調(diào)繪。調(diào)繪前應(yīng)對通過機(jī)載點(diǎn)云采集到的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，檢查數(shù)據(jù)的表達(dá)是否合理、有無缺漏；調(diào)繪過程中應(yīng)做到走到、看到、判讀準(zhǔn)確，應(yīng)用合適的符號進(jìn)行標(biāo)注，做到心中有數(shù)[6]。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯

數(shù)據(jù)編輯應(yīng)保證不失真、主次有別、層次分明。添加屬性信息主要包括資料收集和現(xiàn)場調(diào)繪兩部分，兩種方法相互結(jié)合使用；從相關(guān)部門收集各類已有資料，對資料進(jìn)行梳理和電子化，提取需要的屬性信息，并將原始資料進(jìn)行歸檔；外業(yè)對地理要素進(jìn)行屬性調(diào)查，同時(shí)結(jié)合資料收集的屬性信息，內(nèi)業(yè)梳理完成后把屬性添加至對應(yīng)的要素中。圖3為經(jīng)過外業(yè)調(diào)繪與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯完成的大比例尺地形圖，其中，建筑物地形使用機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

圖3 編輯完成的地形圖

5 精度分析與評價(jià)

對測區(qū)內(nèi)制作完成的200幅1∶1000地形圖進(jìn)行精度檢查。精度檢查主要分為6個(gè)批次，首先利用CORS測量獲取圖根點(diǎn)，再通過全站儀在圖根點(diǎn)上架站，后視定向后采集建筑物角點(diǎn)、道路特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，得到地形圖平面精度統(tǒng)計(jì)。地形圖的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

按照《城市測量規(guī)范》的要求，在平地、丘陵區(qū)域，1∶1000地形圖規(guī)定平面中誤差不得超過0.5m；在山地區(qū)域，平面中誤差不得超過0.75m。本文利用CORS結(jié)合全站儀進(jìn)行外業(yè)實(shí)測，對圖上特征點(diǎn)進(jìn)行精度檢測，其中分6個(gè)批次對60幅圖進(jìn)行抽樣檢查，共檢測了1800個(gè)平面點(diǎn)，其中檢測200個(gè)建筑物平面點(diǎn)。檢測結(jié)果為：地形圖整體平面中誤差為0.26m，建筑物平面中誤差為0.16m，由于測區(qū)位于平地、丘陵區(qū)，滿足平面中誤差0.5m的要求，表明利用機(jī)載點(diǎn)云結(jié)合外業(yè)補(bǔ)測的方式測繪建筑物是切實(shí)可行的。

6 結(jié)論

對于城市區(qū)域的大比例尺測圖，由于建筑物相對密集，通視很差，利用傳統(tǒng)全站儀地形測繪雖精度較高，但耗時(shí)耗力，外業(yè)工作量大。機(jī)載激光掃描技術(shù)由空間定位、激光掃描與航空攝影等多種技術(shù)組成，作業(yè)時(shí)由于無信號遮擋，無需通視條件，可以高效獲取地面高精度三維信息。本文以機(jī)載點(diǎn)云為源數(shù)據(jù)進(jìn)行城市大比例尺地形圖建筑物地形測繪，并且通過外業(yè)檢驗(yàn)點(diǎn)驗(yàn)證了精度，表明利用機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物測繪的可行性。