機載LiDAR技術在福建省基礎測繪中的應用研究

羅 杰

（福建省測繪院，福建 福州 350003）

0.引言

機載激光雷達（Light Detection and Ranging，簡稱Li－DAR）技術是目前很受歡迎的低成本獲取高精度數字表面模型（DSM）或數字高程模型（DEM）的一項高新技術，具有不受晝夜限制、天氣影響很小、獲取數據精度高、生產數據的外業成本及后處理成本顯著降低的優點[1]。鑒于機載LiDAR技術在獲取地面三維數據方面的顯著優勢，近年來，部分省份如江蘇、浙江、寧夏、吉林等，先后開展了利用LiDAR點云數據生產高精度省級基礎測繪DEM產品的應用研究，取得了豐富的成果。文獻[2]對DEM生產中架空地物、低矮作物覆蓋的田塊、連片池塘等要素的地面點云精處理方法進行了闡述。文獻[3]介紹了利用參考影像配合點云數據以確定被作物或林木覆蓋的耕地、林地范圍，通過對作物或林木實現降高程操作，獲得耕地、林地地塊的高精度高程；并進行了外業打點精度驗證。文獻[4]則敘述了點云數據中建筑物、河流水面、道路隔離帶和山邊房屋等若干問題的處理方法。文獻[5]、文獻[6]總結了基于LiDAR點云生產DEM的技術方法和流程。這些研究解決了基于LiDAR點云數據生產DEM過程中多數會遇到的關鍵問題。

福建省也是國內較早在省級基礎測繪中開展LiDAR點云數據獲取及處理研究的省份之一，早在2013年即開始對全省實施LiDAR數據獲取項目，至2019年實現了LiDAR點云數據的全省覆蓋獲取，并將獲取到的LiDAR點云數據用于制作高精度省級基礎測繪DEM。在此期間，福建省也逐漸積累了一些具有自身區域特點的數據處理經驗。下面結合福建省的DEM生產實踐，闡述相關研究體會。

1.研究區概況及點云數據基本情況

1.1 研究區概況

研究區為我國東南沿海的福建省，包括陸地、主要的大島嶼和沿海灘涂，總面積約12.4萬平方千米。研究區主要有以下幾個特點：（1）福建省號稱“八山一水一分田”，以丘陵和山地為主，且地形起伏變化十分細碎；而全省海拔80米以下的平原臺地僅占總面積的10%左右，集中在沿海一帶；（2）區域內植被茂密，森林覆蓋率全國第一，高達66.8%；（3）水系較豐富，雖然河網密度僅0.1千米/平方千米左右，但狹長細小的溪流數量眾多，水位落差大，水電資源豐富；坑塘、小水庫及其堤壩都很多，面積不大且零散分布；（4）作為沿海省份，海岸線漫長，擁有眾多的海堤和灘涂。以上這些特點，導致福建省與其他省份相比，對數據處理的思路有所差異。研究區范圍及位置示意圖如圖1所示。

圖1研究區范圍及位置示意圖

1.2 點云數據基本情況

福建省獲取的原始激光點云數據為航帶點云數據，其點間平均間距小于2米，點云密度大于1點/平方米，同期還獲取了地面分辨率優于0.5米的數碼航攝影像、機載GPS/IMU數據和檢校數據。

2.基于LiDAR點云數據生產DEM的生產流程

2.1 生產流程

DEM生產主要包括兩項工作內容：點云數據處理和DEM制作[7]。

點云數據處理：機載LiDAR系統航攝獲取到的點云數據為航帶點云數據，需先經過航帶拼接和平差，形成成片區域的點云數據；再經過坐標系轉換，得到基礎測繪規定坐標系下的點云成果；然后進行點云分類，提取出點云數據中的地面點。

DEM制作：對地面點進行必要的數據加工處理，再生成DEM。

生產流程圖如圖2所示。

圖2生產流程圖

2.2 點云數據處理

2.2.1航帶拼接和平差

導入相鄰航帶的原始點云數據，對重疊區域進行接邊檢查。小于限差的可以進入下一道工序；大于限差的，應先進行航帶點云數據的接邊平差處理，使重疊區點云數據的高程值趨于一致，再進行拼接。接邊平差解算采用TerraMatch軟件處理（或采用架構航線點云數據進行改正）。考慮到點云數據為高精度數據，根據CH/T 8024《機載激光雷達數據獲取技術規范》規定，取平地點云高程中誤差（0.35米）為接邊限差[8]。

2.2.2坐標系轉換

原始點云數據通常采用的是WGS84坐標，而基礎測繪成果要求是2000國家大地坐標系（CGCS 2000）。因此需先進行坐標系轉換，得到點云數據中各測點的CGCS 2000坐標系三維坐標，再以福建省似大地水準面精化成果對點云進行高程改算，將點云數據的CGCS 2000大地高轉換為1985國家高程基準的正常高，得到點云數據的85高程。

2.2.3數據分塊

航帶拼接后的點云數據量很大，不便于計算機處理和生產任務分配，因此對接邊好的條帶點云數據應進行分塊，一般按矩形切塊，每個數據塊作為軟件處理的一個單元。數據塊的大小主要基于計算機性能，并兼顧生產上的任務分配。

2.2.4點云分類

點云分類的目的是將點云數據中的地面點和非地面點進行分離。點云分類包括粗分類和精細分類。

粗分類是利用Terra Scan軟件批量對點云進行整體粗分處理。作業時，首先根據地形地貌特點，提取初始地面并設定迭代閾值，調制出點云粗分類宏命令，通過反復試驗、對比檢查和調整設定，直至整體粗分結果達到較滿意的效果。為了降低后期精細分類的人工編輯工作量，在開始精細分類工序之前，還要利用Terra Scan軟件對整體粗分結果制作點云高程暈渲圖，檢查粗分類效果。對分類效果較差的較大區域，圈出該區域，還原到未分類狀態，分析區域內地形地貌特點，并根據分析結果重新調制參數對該區域點云進行局部粗分。重復該過程直至任務區內所有的局部粗分均達到較滿意效果為止。

精細分類是利用Terra Scan或LiDAR-DP軟件中的各種手工分類工具，對粗分類錯誤的點云數據，通過調制參數和人工編輯的方式，重新進行分類，以修正點云粗分類錯誤。精細分類階段的調制參數針對性更強、區域范圍更小，通過對建筑區、耕地、亂掘山地、沿海養殖坑塘等區域設置不同的閾值參數，再結合人工編輯，更為精準地實現地面點分離。

2.3 DEM制作

2.3.1地面點數據處理

精細分類之后得到的地面點還不能直接用于生成DEM，因為存在數據空白區或存在架空地物等，還需要進行進一步精加工（如，濾除架空地物點，補充特征點、線等），之后才能用于生成DEM。

2.3.2DEM生成

利用地面點處理后得到的數據集構TIN生成DEM，并按標準圖幅外擴一定范圍裁切，再經過接邊處理，生成福建省基礎測繪所要求的分幅DEM成果。

3.研究區生產特點和成果分析

3.1 點云數據處理階段

點云數據處理方面，福建省主要生產特點是精細分類階段的處理需要更加精細。

精細分類階段的任務是對粗分類錯誤的點云數據進行重新正確分類。粗分類錯誤的點云可通過以下操作尋找發現：

（1）用粗分類結果制作點云高程暈渲圖，檢查是否有突變。

（2）引入同期航攝影像作為參考，檢查是否存在粗分類異常。

（3）基于暈渲圖或同期航攝影像檢查情況，在可疑區域截取點云斷面，目視檢查確認是否存在粗分類錯誤。

這些操作目前都依賴于人工處理。在這種模式下，人工處理的精細度，取決于植被覆蓋率、地形變化的成片及連續程度；植被覆蓋率越高，地形變化越是褶皺、越是零碎不連續成片，人工處理需要截取的斷面數量就越多，對渲染圖的人工分析精細程度就越高。

福建省恰恰是以丘陵地和山地為主，森林覆蓋率極高，植被茂密，地形又十分細膩零碎的區域，這些區域特點給精細分類作業帶來極大麻煩。以點云斷面截取為例，地形零碎區域常常要按DEM格網間距或格網間距一半進行斷面截取。根據福建省點云數據處理的經驗，精細分類是整個項目中耗時最多、投入人員最多的工序。據粗略統計，精細分類所耗費時間約占整個作業時間的80%。而從其他省份研究情況看，僅占三分之二左右時間[2]。

3.2 DEM制作階段

文獻[2]—文獻[6]已對架空地物、建筑物、河流水面、低矮植被等地面點數據處理中的關鍵問題提出了有效解決方案，本文不再贅述。以下僅對上述文獻沒有論述或尚未深入討論，但在福建省生產中常常遇到的部分特殊地面點數據處理問題進行補充闡述。

（1）福建省為沿海省份，海岸線漫長，擁有大量的沿海灘涂。常規的LiDAR數據獲取項目，為了兼顧獲取同期航攝影像，航攝時間往往不是沿海灘涂當天的低潮位時間。此時灘涂往往被海水所覆蓋，LiDAR信號被海水吸收，無法獲取到灘涂地面點數據。為解決這一問題，福建省對于沿海灘涂一帶，安排了專項灘涂航攝任務，并把航攝時間安排在當地沿海灘涂的低潮位時間前后，最終獲取到了較為完整的高精度沿海灘涂地面點云數據。在生產福建省基礎測繪DEM時，提取這批專項航攝的沿海灘涂點云數據作為地面點一起參與構TIN建模，保證了沿海一帶灘涂DEM的正確性和高精度。

（2）點云數據在水體區域空白無數據。通常做法是：對于水庫、坑塘等靜止水域統一采集閉合水涯線并賦高程；對于河流等流動水域，則分段采集水涯線并賦高程。然而福建省溪流、坑塘、水庫眾多，溪流多數狹長細小，坑塘、水庫許多面積不大且零散分布，全部處理起來工作量巨大而作用又有限，因此有必要進行綜合取舍，對流動水域根據寬度、對靜止水域根據面積設定合理的最小上圖指標。

（3）山區地帶依山而建，背靠坡、坎的建筑物。在濾波后若直接建模，會出現地基不平的異常情況如圖3a所示。對于此類情況，一般采用在靠近坡、坎一側人工補充特征線做地基平整處理的方式進行消除。處理后效果如圖3b所示。

圖3地基平整處理前后效果

但福建省山區地帶平地較少，依山而建的建筑比比皆是，且多為零散分布，三棟一群，五棟一組。若對所有依山建筑物都要求實施地基平整處理，則工作量十分巨大且無必要。因此，對要求做地基平整處理的依山建筑物應設定最小上圖指標，具體可參考1∶10 000地形圖或地理國情監測居民地相關上圖指標，并結合DEM格網間距對其作出規定。

（4）福建省部分山地為原始森林所覆蓋，植被異常茂密，LiDAR信號很難甚至無法穿透植被到達地面，以致獲取到的地面點十分稀少甚至沒有，即便在獲取點云平均密度大于1點/平方米的情況下，分類后依然發現有部分1平方千米以上的地面點數據空白區。這種情況其他省份通常考慮采用測量植被高度以降植被高程的方式處理；但在福建省實際作業中發現植被高低參差不齊或常常無法測量，植被覆蓋范圍也難以圈定，采用這種方式處理的效果并不理想，容易導致地形過于失真。最終此類困難區域改按以下方法進行處理：

對困難區域的點云數據截取斷面，重新安排人工精細分類，盡量把點云數據中存在但原先分類未能分離出來的地面點重新提取出來；確實沒有地面點的，根據山形走向特征，酌情增補特征點、特征線數據。

基于同期航測立體模型補充采集特征點和特征線數據。

此類困難地區即便在經過上述方法處理后，仍然可能無法精確反映實地地形，因此，作業目標以能夠體現該區域的主要地形輪廓（如，主要的山脊、山谷、高低點等）為準。

（5）福建省水電資源豐富，為利用山區水力發電而建的小型堤壩數量眾多，沿海還有許多海堤，此外，福建全省村村通公路、小型公路也很多。這些小型堤壩、公路等地物，有的由于寬度較小或長度較短，可能只有少數點云落在堤壩頂面或路面，難以體現堤壩和道路的實地情況，為避免失真，需對這些小型堤壩和道路補充提取邊線建模。以小型堤壩為例，未處理前呈現為沒有堤壩的失真，處理后則有堤壩如圖4所示。

圖4堤壩處理前后效果

3.3 精度驗證

精度驗證分陸地和沿海灘涂兩個部分進行，分別采用不同的外業檢測方法。

（1）選取廈門、漳州、泉州三地市片區主要陸域對陸地DEM成果進行精度檢測。外業采用RTK儀器野外測繪檢測點，共計施測1 595個，剔除落在架空地物上或實地已經變化的38個不合理點，用剩余的1 557個有效點對DEM成果進行精度評估，得出陸地DEM成果高程中誤差為0.316 6米。精度檢測結果如圖5所示。

圖5陸地DEM檢測高程中誤差

（2）選取莆田市湄洲灣沿海的局部灘涂對沿海灘涂DEM成果進行檢測。外業采用水下地形測量的方式進行檢測，以測量船搭載RTK+中海達HD-370全數字單頻測深儀，對該處灘涂實施水下地形數據采集。外業總共施測了193個檢測點，經解算比較，灘涂DEM檢測高程中誤差為0.078米。

（3）抽檢的精度檢測結果表明項目DEM成果精度明顯優于省級基礎測繪對1∶5 000、1∶10 000比例尺DEM的精度要求（平地0.5米、丘陵地1.2米、山地2.5米）。

4.結束語

隨著LiDAR技術在越來越多的省份逐步推廣應用，本文所闡述的基于LiDAR點云數據制作高精度省級基礎測繪DEM產品的方法及部分特殊地物處理技術的經驗性總結，對地形多變、水系豐富、植被茂密的省份實施類似項目具有一定參考意義。