基于機載LiDAR建立沈陽市數字高程模型

付妍

（沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧沈陽 110004）

作為城市重要的空間基礎數據，數字地面模型應用非常廣泛，測繪部門用于繪制地形圖、坡度坡向圖、正射影像圖和景觀圖，水利、電力、鐵路等建設中用于各種線路設計及各種工程面積、體積、坡度計算等[1,2,3]。

傳統方式下數字地面模型是通過航空攝影、衛星遙感等立體方式進行提取產生。受限于技術流程等原因，生成的數字地面模型精細度往往不是很高。近年來隨著機載LiDAR（激光雷達）技術的不斷發展，基于LiDAR方式構建城市級高精度的數字地面模型越發成熟。研究基于機載LiDAR方式的數字地面模型生產流程，將是未來城市時空信息快速采集與更新的趨勢。

一、技術流程

機載LiDAR數據生產的技術流程如圖1。

圖1 機載LIDAR數據生產技術流程圖

二、技術優勢

機載LiDAR作為數字高程模型的重要生產手段具有如下的技術優勢。

1.直接化

機載LiDAR采用空基平臺直接通過下射激光方式獲取激光回波，再通過軟件進行數字地面高程的構建，相比于傳統地形圖提取及攝影測量方式通過二次加工生成更直接（圖2）。

圖2 機載LIDAR數據采集示意圖

2.低工時

由于搭載了高精度的GPS/IMU設備，經過后差分處理原始激光點云即可達到0.1~0.2米的高程精度，后期只需少數地面控制點即可獲取更高精度的地形測量成果。傳統數碼航空相機受限于技術機制需要實測較多數量的像控點，野外測量工作量大[4]。

3.高精度

激光雷達通過主動測量，直接獲取地物表面高精度三維坐標，不受山體、建筑物的陰影的影響，單純數碼航空攝影在陰影區域判讀困難，立體測量精度低。激光雷達的多次回波能直接獲取地表高程，對植被具有較好的穿透性，可以基于回波數據對樹木高度、數量等林業參數做分析[5]，而植被覆蓋問題一直是數碼航空攝影不能解決的問題。

4.全天候

激光雷達對天氣要求較寬松，不受太陽高度角影響，薄霧等低能見度天氣不影響激光雷達數據獲取，但影響數碼航空攝影的影像質量[6]。如果只是單純獲取激光點云數據，可在清晨起飛進行數據采集，甚至夜航。

三、實際案例

1.項目簡介

本次沈陽市高精度數字地面高程模型生產項目目標精度為4點/平方米，采用機載LiDAR數據采集方式，自2019年9月至12月，完成了航空飛行、資料整理、DEM制作、成果質檢等全部過程。

2.數據采集

本次采用RIEGL VQ-1560i激光掃描儀，集成飛行管理系統、POS系統，采用全波形處理技術提供卓越的多重目標探測和多波束收發（MTA，最多可達20次）功能，使得在一次飛行作業中即使遇到高差變化很大的地形也無需調整飛行高度，激光發射頻率高達2MHz。

為方便討論，記tA (x)為tx ，記fA (x)為fx， 有tx +fx≤1。運用Vague進行評價的具體步驟為：

載體采用塞斯納208飛機，采用全自動駕駛儀保證飛行質量。起降階段可以關閉航測窗口，對相機起到保護作用。

本次采集區域為沈陽市全市域1.3萬平方千米，總計飛行32天15架次。使用沈陽市衛星導航定位基準站網（SYCORS）提供的四星多頻差分位置服務實現機載設備定位以及提供SYCORS原始基準站1秒采樣的靜態數據用于后處理。

3.數據處理

本次數據處理重點針對點云濾波和人工分類進行參數調優。

（1）提取地面點云

參考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像，基于MicroStation+Terrasolid軟件，將分類到缺省層的所有點通過自動宏命令，在地面層分離出地面點?？紤]到沈陽市攝區地勢平坦，耕地面積所占比例很大，經過試驗，進行自動宏命令處理提取地面點時進行如下參數設置（圖3）：建筑物最大邊長為60米，地形角不大于88°，迭代角度不大于6°，迭代距離不大于1.4米。由于攝區覆蓋還涉及部分丘陵區域，使用一種宏命令無法提取所有地面點，本項目還使用了人工濾波及其它宏命令進一步提取地面點數據，保證了分類的準確性。

圖3 提取參數設置

（2）去除異常高程點

點云分類不完全或不正確會導致地形高程的陡升或陡降。本次利用去除高程異常點算法，將導致地形陡升的激光點從地面點去除，導致地形陡降的激光點分類為地面點，從而保證地面的完整連續性（圖4）。同時，還基于反射強度、回波次數、地物形狀算法或組合算法，對激光點云數據進行了自動分類。

圖4 根據不同類別提取地面點

參考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像進行人工編輯分類，主要包括對高程突變的區域調整參數和算法重新進行小面積的精細分類。分類時重點考慮水系、居民地及設施、交通、植被和地貌等幾個圖層。

（4）高程轉換

激光雷達獲取的點云數據其高程基準為CGCS2000地心大地高程。為滿足項目需求，通過沈陽市超高精度似大地水準面精化模型（2.5分間隔，1厘米內符合精度）直接加載將點云成果轉換為1985國家高程基準。

4.質量檢核

考慮到本項目使用剛性集成，高精度慣性導航系統，通過移動站和地面站差分達到厘米級定位精度，通過檢查控制點已達到規范精度要求，本次把控制點全改成檢查點。

為檢查點云成果精度在攝區內布設6個精度驗證區，每個精度驗證區面積4平方千米，均位于航攝基準站較遠的區域。1分區布設2個精度驗證區，其中1個驗證區位于與2分區接邊區域、另一個位于北部參考站相對較少區域；2分區覆蓋區域較小只需布設1個精度驗證區，位于與3分區接邊區域；3分區布設3個精度驗證區，均位于攝區西南部參考站相對較少的區域。每個精度驗證區內均勻采集25~30個檢查點。

經檢驗，最終成果的點云密度達到7.25點/平方米，點云高程中誤差為0.05米，均優于設計指標。項目成果經過了省級測繪產品質量監督檢驗站的檢驗，成果質量達到優級。

四、結語

生產實踐證明機載LiDAR能夠作為城市級大尺度下地面高程模型的高效、經濟的數據采集方式。在未來，機載LiDAR硬件將向平臺多樣化、型號多樣化發展，云計算的逐步推廣將徹底解決數據量和數據處理速度的桎梏，LiDAR數據產品類型將更豐富，從而帶來巨大經濟效益。