新型機載激光雷達在地形測繪中的應用研究

羅 勝 陳海佳 李景壇2,

（1.廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東 廣州 510000；2.武漢大學，湖北 武漢 430000；3.武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430200）

0.引言

地表含有豐富的地理要素信息，這些信息可以為人類活動提供依據和指導。地形測繪可以獲取地表的位置和高程信息，并生成所需的測繪產品[1]。傳統地形測繪一般先采用經緯儀、全站儀等儀器獲取地物的坐標信息，再通過內業進行數據處理和成果生產，該方法人工成本大、成果產出效率低。隨著數字時代的到來，激光雷達測量系統逐漸應用到了地形測繪任務中，其集成了三維掃描、同步控制、定位定姿等技術，作為一種新的手段，可以高效率、高精度地獲取地表的三維空間信息。

隨著光電技術的發展與應用需求的推動，國內外已涌現出一大批致力于高精測繪領域的激光雷達廠商和產品，如，奧地利Riegl公司的VUX系列激光雷達、中海達公司的智喙系列激光雷達、北科天繪公司的云雀激光雷達等。目前廣泛應用于測繪領域的機載激光雷達產品的點頻一般在每秒50萬點左右，如，VUX-1UVA、Sky-Lar云雀等，測量距離主要為中低空測距，一般在1000m以下。這些激光雷達在地形測繪應用中存在以下問題：（1）點云密度較低，會導致植被覆蓋區域下的地面點數量較少，以致無法更精確地構建地面模型，且建筑特征點如房角等位置可能缺少點云，在進行DLG繪制時，需要通過擬合得到這些特征點，導致DLG的成圖精度降低；（2）激光測程較短，會導致在地形落差較大區域需劃分更多區塊完成采集作業，從而降低作業效率，且不同區塊的點云成果后期需要進行拼接處理，拼接誤差也會影響點云的精度。

針對這些問題，具備超百萬高點頻、超千米長測距的新型激光雷達近幾年成為研發熱點，本文主要基于市場已有的新型激光雷達產品探討其在地形測繪中的應用技術流程和優勢。

1.關鍵技術及流程

1.1 機載激光雷達技術

新型機載激光雷達系統的基礎技術與傳統的相同，都是采用主動測量的方式，系統通常搭載在各種飛行器上，比如，無人機、直升機等，由激光測距系統、定位定姿系統和同步控制系統等部分組成[2]，為獲取地表的地形和地物的三維信息提供了一種新的方式，具有自動化程度高、受天氣因素影響小、數據處理和成果生產時間短、精度高等特點[3]。

在測距技術方面，由于脈沖測距儀可以發出很強的激光，測量距離遠、測距能力強，因此，新型機載激光雷達也采用脈沖測距模式，其原理是用激光器向目標發射光脈沖，光到達目標后部分被反射，根據光從發出到返回接收機的時間，可以推算出測距儀和目標之間的距離[4]，公式如式（1）、式（2）所示。得到距離信息后，再結合定位定姿系統測量飛機姿態和激光束的掃描角度，利用空間極坐標計算目標的三維坐標。

式（1）中，ρ為測距儀與目標之間的幾何距離；t為激光束的往返時間；c為光速。式（2）中，Δρ為距離分辨率；Δt為測時分辨率；c為光速。

1.2 地形測繪技術流程

基于新型機載激光雷達測量系統進行地形測繪的技術流程（如圖1所示），主要包括飛行準備階段、數據采集階段、數據處理階段和成果生產階段。

圖1 基于機載LiDAR的地形測繪工作流程圖

1.2.1 飛行準備

飛行準備階段包括航線規劃和基站布設兩部分工作。進行航線規劃前需先收集測區的相關資料數據，并派遣技術人員實地勘察測區的情況。了解測區整體狀況后，準備所需軟硬件設備，然后根據測區范圍設計飛行航線。航線設計時需考慮以下因素：（1）飛行速度和高度；（2）飛機的續航時間；（3）測區的地勢起伏；（4）航向與旁向重疊度等。

進行基站布設時，一般將基站架設在空曠、無遮擋、無信號干擾的開闊區域的已知控制點上，以保證接收到良好的衛星信號。為了防止某一個基站數據采集不正常，一般架設雙基站。測區條件無法架設基站時，可以采用CORS站的靜態數據。為保證數據的質量與精度，測區應處于基站或CORS站的覆蓋范圍內。

新型機載激光雷達由于具備長測距的特性，因此可適用于落差起伏較大的山地區域，在進行航線規劃時，可以減少作業區塊的劃分，進而提升效率和精度。

1.2.2 數據采集

數據采集階段包括設備狀態檢查、飛行采集實施和原始數據質檢三個部分工作。設備狀態檢查內容通常包括安裝是否完整、設備之間連接是否無誤、存儲空間是否足夠等[5]。之后將設計好的航線導入飛控軟件中進行數據采集工作。數據采集過程中要全程監控設備狀態，以保證整個飛行架次的安全。采集完成后得到各個傳感器的數據，包括激光測距數據、GNSS數據、慣導數據、同步時間數據等。之后對原始數據進行初步質檢，以判斷飛行范圍、關鍵數據是否完整等，根據結果決策是否進行補測或下一步工作。

1.2.3 數據預處理

點云數據預處理主要包括軌跡解算、融合解算、數據質檢等工作。軌跡解算的目的是得到高精度的姿態數據，其主要利用基站數據和POS數據通過數據處理和IE解算完成。該過程可通過專業軟件輔助完成解算，如，HGO數據處理軟件、Inertial Explorer軟件。融合解算的目的是將掃描系統采集的原始距離數據和軌跡解算得到的高精度姿態數據等進行融合處理，生成目標地物的空間三維坐標點云文件，以便進行后續點云濾波、點云分類、點云渲染以及成果生產等。融合解算主要由數據融合軟件完成。數據預處理完成后進行數據的合格性檢測工作，以確保后續成果的精度。

1.2.4 成果生產

地形測繪的產品成果包括但不限于4D產品，在測繪成果的生產方面，目前已有成熟的商業軟件可輔助內業工作者完成產品生產。在進行DOM生產時，通常包括影像檢查、刺控制點、空三加密、拼接分幅等關鍵步驟；DEM的生產相對更加自動化，首先人工干預精細分類以獲取準確的地表點云數據，然后基于地表點數據，通過軟件自動生成DEM成果及等高線成果；DLG的生產需要投入較多的人工成本，一般在商業軟件中參照矢量圖標準用DOM表達出DLG數據。

2.實驗與分析

本文選取兩個測區進行實驗，其中，區域一地物要素齊全，通過與傳統機載激光雷達的數據成果進行對比分析，以驗證新型激光雷達高點頻的優勢；區域二地形落差較大，以驗證新型激光雷達長測距的優勢。

2.1 測區概況

實驗區域一位于華中某平原區域，測區為平地地形，南北長度1.3km，東西長度1.2km，地勢起伏較小，測區內高低最大落差不超過30m。該區域內包含建筑、植被、道路、水系、農田、裸土等豐富的地理要素。

實驗區域二位于西北某高原區域，測區內高低落差大于300m，面積為2.54km2，起飛海拔大于3300m。該區域包含山區、河流、植被和少量建筑。實驗區域圖像（如圖2所示）：

圖2 實驗區域圖

2.2 儀器設備

經市場調研，目前常用的測繪型激光雷達中80%集成自RIEGL激光器，其中VUX-1UVA型號激光器在測繪領域較為常用，國內集成該激光器的代表產品有中海達ARS1000、華測導航AS-900HL、南方測繪SZT-R1000、數字綠土LiAir 1000等產品。對于新型激光雷達產品，目前正朝著超千米測距、超百萬點頻方向發展，代表產品有RIEGL的VUX-120、VUX-240、中海達智喙PM-1500。本實驗以同時滿足高點頻、長測距、重量輕等為主要選擇標準，同時考慮指標參數、技術成熟度、系統集成度等因素，最終選取智喙PM-1500和ARS1000進行相關實驗。設備主要參數（如表1所示）。此外，測區一無人機平臺選擇L150六旋翼無人機，測區二選擇蜂虎固定翼無人機。

表1 實驗設備參數表

2.3 數據采集與處理

實驗采用的坐標系為WGS84坐標系，高程基準為大地高。測區一進行智喙PM-1500與ARS1000的對比實驗，為保證實驗準確度，不同機載激光雷達測量系統在數據采集時采用的飛行航線和飛行參數相同，即飛行高度為90m，航線間距35m；測區二采用智喙PM-1500進行數據采集，飛行高度為300m，航線間距150m。

無人機的起降應選擇空曠、無樹木和建筑遮擋、無雜草樹枝等易吹起物、地形平坦的區域，且起降時應遠離密集人群區域。智喙PM-1500機載測量系統在不同區域進行空中作業的示意圖（如圖3所示）：

圖3 機載激光雷達系統空中作業圖

2.4 實驗分析

2.4.1 評價指標

機載激光雷達系統數據質量的評價標準有十幾種，如，最大高程誤差、高程中誤差、平面位置中誤差、航帶誤差等，本文選取下列評價指標進行分析，下面對其進行簡要說明：

（1）點云密度。點云密度用于描述單位面積上激光點的平均數量，可以用來評價點云質量。

（2）高程中誤差。高程中誤差用于評價點云高程與其真實高程之間的差距，利用測區驗證點進行評定，公式如式（3）所示：

式（3）中，ZRMSE為高程中誤差；Zi為第i個驗證激光點的內插高程；n為驗證點個數為第i個驗證點的實測高程。

（3）航帶誤差。航帶誤差用于評價相鄰航帶點云數據的位置誤差，通過不同航帶重疊區域的點云進行評定。公式如式（4）所示：

式（4）中，AXY為航帶誤差；AX為X方向航帶誤差；AY為Y方向航帶誤差。

（4）DLG平面標準差。DLG平面標準差用于評價點云的平面位置與真值之間的差別，利用測區驗證點進行評定，公式如式（5）所示：

式（5）中，dxy為平面標準差；dx為X方向標準差；dy為Y方向標準差。

2.4.2 測區一實驗分析

為驗證相關指標精度，前期在測區一均勻采集了29個高精度驗證點。對數據進行處理及成果生產后，通過專業處理軟件生成各指標的誤差報告，得到各指標的誤差（如表2所示）。橫向對比分析，PM-1500的上述各項誤差均小于5cm，滿足1∶500比例尺測圖需求，ARS1000的平面標準差大于5cm；縱向對比分析，PM-1500的高程和平面位置精度均優于ARS1000，ARS1000的航帶誤差優于PM1500的航帶誤差8mm，相差不大。通過上述分析：可以證實新型激光雷達可以提高點云高程和平面的精度。

表2 不同設備各項誤差對比表

兩個設備獲取的部分點云圖像（如圖4所示），可以直觀看出：整體上PM-1500的點云更密，且建筑關鍵特征位置和建筑立面上點云數量較多，地面上基本不存在空洞區域對建筑、道路、植被、去除植被類后的地表的點云密度進行定量分析，選取不同設備獲取的點云圖像上同一區域的點云，計算選框內的點云密度（如表3所示），顯然，PM-1500的點云密度是ARS1000的2倍以上。點云對比圖（如圖5所示）：

表3 不同地物要素同區域每平方米點云數量

圖4 不同激光雷達點云對比圖

圖5 實驗區域一點云密度對比圖

按照技術流程進行地形測繪成果的生產，部分DLG（如圖6所示），PM-1500獲取的房屋邊緣點數量較多且關鍵位置如房角等均有點云，相對來說ARS1000點云密度較低、特征位置缺少點云，在繪制房屋時依賴軟件的自動擬合功能，降低DLG的成圖精度。

圖6 DLG點密度對比

基于地表點云生成測區的DEM圖像，對比分析（如圖7所示）?；赑M-1500的點云數據生成的DEM地形細節更豐富，地面的微小起伏可以細致地表現出來，相對來說，基于ARS1000的點云數據生成的DEM圖像由于點云密度低，生成模型式需內插高程點，使最終的DEM部分區域和真實地表有一定出入。

圖7 DEM對比

2.4.3 測區二實驗分析

機載激光雷達飛行高度及測量距離之間的關系示意圖（如圖8所示），不考慮激光器發射功率、飛行安全距離等因素，在角度不變的情況下，機載激光雷達測量系統飛行高度和激光的測距能力成正比，即測量距離D越遠，可以實現的飛行高度H越大，在相對高差大的測區內作業更有優勢。同時，測量距離D越遠，航帶寬度2L也會越大，單航帶測量覆蓋區域越大，可以有效提高作業效率。PM-1500的最大測距為1500m，顯然在地物反射率等外界因素影響相同的情況下，PM-1500在起伏落差大的測區內效率更高。

圖8 激光雷達飛行高度示意圖

飛行高度計算公式如式（6）所示：

式（6）中，H為飛行高度；D為激光測量距離；θ為激光掃描角度的一半。

測區二為山地地形，落差超過300m。采用PM-1500設備單架次完成作業，得到點云數據，精度分析后得到高程誤差為9.1cm，滿足1∶2000測圖的精度要求。之后進行地形測繪產品生產，得到DEM和DLG（如圖9所示）：

圖9 實驗區域地形測繪產品成果

3.結束語

本文基于機載激光雷達相關技術，介紹了基于新型機載LiDAR在地形測繪中的應用，主要包括以下內容：

（1）梳理了基于機載激光雷達進行地形測繪應用中的技術流程，包括飛行準備階段、數據采集階段、數據處理階段和成果生產階段；

（2）通過在平坦區域進行實驗，對比分析了傳統激光雷達和新型激光雷達在地形測繪應用中的點云密度、各項誤差等，驗證了新型激光雷達高點頻的優勢，即高密度點云可以更加精確地選擇特征點與表達地表地形，進而獲取更高精度的DLG和DEM產品；

（3）通過在山地區域進行實驗，驗證了新型激光雷達長測距的優勢，即可以在地形起伏大的區域完成作業，且精度符合測圖需求。

總之，本文總結了地形測繪的技術流程，并通過實驗驗證了新型機載激光雷達高點頻、長測距、高精度等優勢特點，可為行業同類應用提供參考。