基于機載LiDAR點云數據的獲取方案

趙節霞

(中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199)

0 引言

為了滿足廣東省經濟快速發展和規劃管理的需要，受廣東省國土資源技術中心的委托，中煤航測遙感集團有限公司承擔廣東省機載LiDAR點云數據獲取項目第2期第2個分區的項目LiDAR點云數據獲取的工作。項目的范圍涵蓋河源市、惠州市、汕尾市、韶關市。項目總面積為3.01萬km2。

針對本項目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高層建筑林立、海岸帶特殊地貌及復雜氣流等地形特點的情況下，如何從項目管理、技術設計方案、項目實施、質量檢查、安全生產等各個環節進行有效監督，推進項目工作有序開展，滿足項目成果達到的立項目標的要求，并在項目中進行科研創新。

1 技術方法

1.1 儀器設備

1.1.1 主要硬件設備

機載激光雷達：RIEGL LMS-Q1560、RIEGL VQ-1560i。

飛機：塞斯納208。

POS系統：AV610。

1.1.2 主要軟件設備

航線設計軟件：POSTRACK。

數據后處理軟件：POSPAC、RIPROCESS、LiDAR_Suite、TerraSolid、LMS、LiDAR-DP。

1.2 工作內容

辦理航攝戰區批文及飛行空域申請手續；獲取總面積3.01萬km2點云數據，在天氣及航飛時段適宜的情況下(飛行時段在6：00～18：00之間)獲取影像數據；完成姿態校正、噪聲點剔除、坐標轉換、航帶拼接、系統差改正等點云數據的處理工作[1]；對點云數據進行平面及高程精度的檢查；項目成果提交至廣東省測繪產品質量監督檢驗中心進行驗收，且通過驗收。

1.3 技術方案與創新成果

1.3.1 技術方案

項目技術方案如圖1所示。

圖1 項目技術方案流程Fig.1 Process of project technical scheme

1.3.2 創新成果

華南地區復雜地形的LiDAR設備的組合選擇與航線設計：①本項目同時投入世界先進的高性能激光雷達系統，飛行海拔高度可達5 800 m以上，可在不同的飛行高度進行相應的高密度、高精度、高植被穿透力的數據采集工作，非常適合高空、高效率、大面積LiDAR點云數據獲取。②攝區范圍廣，高差大，為保證點云精度，盡可能在保證飛行效率情況下，以城市劃片或以規則圖形對攝區進行分區[2]，本項目利用自主研發的軟件進行航線實時規劃，對飛行瞬時的地形、空域、衛星信號等預判。③針對本項目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高層建筑林立、海岸帶特殊地貌及復雜氣流等地形特點，為保證點云精度，盡可能在保證飛行效率情況下，以城市劃片或以規則圖形對攝區進行航攝分區，每個分區不同飛行方向對點云航帶間矯正有困難，為保證高精度的數據解算，在各個分區垂直航向方向布設構架線，并分別在構架線的首中尾或整個測區均勻布設參考面。

保證了海岸帶LiDAR點云的密度質量：①LiDAR光束無法穿透水體導致低潮線附近的點云缺失，其所生成的DSM無效值增多，為了能夠獲取更多的海岸帶點云數據，本項目在落潮期對海岸帶進行數據獲取。②獲取海岸帶LiDAR點云時，水域存在大量懸浮粒子。對于清澈水域來說，由于不存在懸浮粒子產生的后向散射，因此在清澈水域會形成比較明顯的數據空洞；但是對于不夠清澈的水面來說，水域存在少量懸浮粒子，其能夠反射小部分能量，其余的大部分被水體吸收。因此本項目在海岸帶獲取LiDAR點云時加大點云密度為規范要求的1.5倍，能夠準確反映裸露的地表真實形態。

解決了同分區不同架次之間點云數據的局部精度超限問題：通過嘗試同分區不同架次間工程融合處理方法，避免了同分區構架線的重復計算，同時，同分區不同架次間使用同一參數進行平差計算[3]，實踐證明，此方法能夠提升處理效率約一倍。通過這種方法，使不同架次間點云的相對精度較高，絕對精度可靠。

2 實施管理

2.1 項目組織

為確保本項目按時、按質完成，在項目組織結構方面，各實施單位成立以項目負責人為領導核心的項目組，全面負責本項目實施和質量把控。在實施措施方面采用各種先進的技術管理手段確保實施進度和開發質量。通過建立完善的項目組織結構，充分調動一切可用資源，在項目負責人統一協調領導下，各項目小組既分工明確又協同工作，發揮最佳工作效率。

2.2 項目工期及成本控制

加強項目管理：項目從2018年1月初開始，2019年12月底結束，歷時2年整。在項目開工前根據測區氣候狀況、飛行時間和飛行架次以及其他可預見情況，并適當考慮不可預見因素的影響，編制合理的總體施工進度計劃，保證項目按合同約定的時間完成。

保證相應的資源配置，最大可能科研創新：各實施單位各作業組織機構健全，有完善的質量管理體系；各工序流程安排合理，投入的人力資源和軟、硬件設備都充分完善[4]；各實施單位自主研發數據后處理軟件、質量檢查軟件以及項目實施過程中諸多新技術的應用，使得作業效率得到顯著提高，為項目順利實施提供了可靠的基礎，從而節約了項目成本，極大提高了作業效率。

2.3 安全生產及信息保密

人員安全措施：①工作人員進場前應開展安全生產教育，并在生產過程中開展經常性的安全生產教育。現場作業時，不得擅自進入危險區域作業。在安置儀器和標志時要避開電纜、電線、避免觸電。②各類交通工具應始終保持在良好的狀態，應對交通工具的狀況經常檢查，發現隱患及時修理。嚴格作息制度，做好駐地安全防范工作，與當地政府和群眾處理好關系。

儀器設備安全措施：①必須嚴格按照操作規程使用儀器，貴重儀器須專人操作、專人保管。不得在危險的地方安置儀器。當儀器出故障時，不能擅自拆修儀器，應及時送廠檢修。②做好調查區域駐地的設備物資安全工作，防火防盜。做好車輛的維修保養，安全行車。

信息安全保密措施：①嚴格執行測繪成果保密管理規定，杜絕資料泄密或遺失。未經甲方單位同意，測繪單位不得擅自向第三方提供該項目的任何測繪資料，如有違反將按照合同承擔相應法律責任。②在生產作業現場使用的計算機要與互連網保持物理隔絕，并及時做好計算機防病毒工作和數據備份工作，防止電子數據成果的意外損壞和丟失。在生產過程中形成的中間資料在項目完成后統一在監督下銷毀。③項目設專門的資料管理員，負責成果數據與文檔資料的保管、整理、保密工作，確保資料成果的安全性[5]。

3 質量水平

整個生產過程各作業單位嚴格按照QEO三體系質量管理體系要求進行，各作業單位組織機構健全，儀器設備、技術力量配備合理。均設立項目負責、技術負責和專職檢查員，實行質量負責制[6]。項目嚴格執行GB/T 18316—2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》規范GB/T 24356—2009《測繪成果質量檢查與驗收》規范，實行二級檢查一級驗收制。

3.1 過程成果檢查

過程檢查分為外業檢查和內業檢查2部分，外業檢查主要包括地面基站檢查、檢校場布設檢查、參考面布設檢查等，內業檢查主要包括飛行質量檢查、IMU/GNSS質量檢查、坐標轉換質量檢查、點云質量檢查[7]、影像質量檢查等。所有的過程檢查記錄都詳細記錄檢查和修改結果，確保進入下一工序的過程產品完全合格。

3.2 最終成果檢查

經過制作、檢查、修改、復查后完成的最終產品，由公司專門管理質量的部門隨機抽取進行最終檢查，最終檢查的結果代表整個項目的最終成果質量[8]，最終成果質量合格方可提交顧客驗收。

過程成果檢查和最終成果檢查時，都會填寫一份檢查記錄表，包括：檢查單元、作業員、檢查員、檢查日期、檢查中發現的問題、發現問題的修改狀況。

為了控制各工序的成果質量，公司嚴格實行獎懲制度，根據檢查員評定的質量進行獎懲，促使各工序作業人員重視質量，達到以質量求生存，以效益求發展的目的。

3.3 項目成果驗收

項目委托廣東省測繪產品質量監督檢驗中心進行檢驗驗收，檢驗的技術參數包含點云質量、IMU/GNSS質量、飛行質量及附件質量。

經分期分區分批次檢驗，“廣東省機載LiDAR點云數據獲取項目”樣本未檢出不合格品，成果質量判定為“批合格”。

4 結語

響應廣東省建設和規劃的需要，按照招標書和合同的要求，制定完整可行的技術方案，解決了華南地區復雜地形的LiDAR點云數據的順利獲取及數據后處理，按時保質保量完成廣東省全域總面積17.95萬km2的機載LiDAR點云數據獲取，項目成果通過了廣東省測繪產品質量監督檢驗中心的驗收，項目成果達到了立項目標的要求。項目自從2020年1月投入使用以來，經過一年多時間的使用，成果取得了良好的經濟效益和社會效益。作為新興的測量三維數據獲取手段，LiDAR點云相關的市場應用不僅在傳統的城市測量、數字城市建設、地形地理測繪、電力線路、道路等領域發揮其不可代替的作用，更在森林防火、山體滑坡檢測、野外考察、環境生態檢測等諸多直接關系國計民生行業產生廣泛而深遠的影響[9]。

該項目直觀反映了廣東省的地形、地貌、道路及建筑物的分布情況，可作為廣東省三維場景數據地理信息系統數據庫更新的依據，對廣東省城鄉規劃、建設和管理中的公益性起到保障性作用。