機載激光雷達1∶500地形圖測繪理論與實踐

張 釗，周 偉，尚海興，賀春林，張西龍

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 西安 710065;2. 國家能源集團西藏電力有限公司，西藏 林芝 860019)

0 前 言

1∶500地形圖精度要求高，測圖時需獲取地面精準高程信息。常規光學相機無人機航攝系統在大比例尺地形圖測繪項目中廣泛應用，但面對植被密度大、覆蓋厚的地區時，相機難以獲取植被覆蓋層下真實的地面高程數據[1]；且受相機畸變及影像質量等因素影響，要保證高程精度，在空中三角測量計算時需要一定數量像控點參與其中。姜華提出可以使用消費級無人機進行1∶500地形圖制作，但對像控點仍有一定需求[2]；朱巖隆、朱曉康等采用光學航攝儀無人機系統免像控生產1∶500地形圖[3-4]；李國峰探討了免像控無人機航測技術在1∶500地形圖測繪中的應用，但在植被茂密地區應進行人工補測[5]；趙立根提出固定翼無人機傾斜攝影可在用于1∶500地形圖測繪，但該方法對影像質量要求高且在植被覆蓋區域精度難以保障[6]。綜上所述，植被覆蓋區免像控測制1∶500地形圖的解決方案較少。本文以平地、丘陵、山地3種不同地形的光伏測繪項目為例，介紹機載激光雷達(以下簡稱LiDAR)在1∶500地形圖測制中的作業流程和相關經驗，檢查地形圖成果的精度，分析在植被覆蓋區機載激光雷達技術較傳統光學影像航測技術的優勢。

1 技術工作原理及作業流程

1.1 航測關鍵參數計算

根據測繪行業標準，LiDAR測量1∶500地形圖時點云密度應大于16點/m2，即點云航向和旁向點間距均應小于0.25 m；預設地面分辨率小于0.05 m，航攝影像重疊度為20%～ 30%，LiDAR點云獲取重疊度至少為20%[7-12]。

LiDAR參數和航攝儀參數在航線設計時聯動，一般在確定航攝儀重疊度后計算航線間距，再使用航線間距計算出激光LiDAR點云重疊度，最終機載LiDAR與光學航攝儀同時工作時使重疊度均滿足規范要求且航線間距最大。在計算重疊度時，與平坦地形不同的是山地或地面傾角過大區域需加入地面傾角參數，以保證最高點重疊度滿足要求。預設航攝儀旁向重疊度后，滿足要求的航線間距計算式可表示為：

(1)

LiDAR掃描寬度為

(2)

計算出滿足要求的LiDAR點云旁向重疊度計算式為

(3)

(4)

公式(1)～(4)中：D為航線間距，m；F為航攝儀畫幅寬度，mm；h為無人機相對航高，m；f為航攝儀主距，mm；Pc為航攝儀旁向重疊度，%；Ll為LiDAR掃描寬度，m；Rmax為LiDAR最大測量距離，m；Pl為LiDAR點云旁向重疊度，%。

兼顧LiDAR最大測量距離和擬采集的點云密度2種參數選擇掃描頻率，并計算無人機相對航高；根據預設的影像航向重疊度、LiDAR點云航向間距、無人機飛行速度計算LiDAR工作線速。

1.2 原始數據獲取及其注意事項

(1) 無人機機載LiDAR系統集成了無人機平臺、GNSS、慣性導航系統(INS)、激光掃描儀(scanner)和數碼相機等設備。其中，定姿定位系統(POS)獲取差分基準站數據、差分流動站數據、星歷數據、慣性導航數據；LiDAR系統中的scanner獲取LiDAR點云數據，光學航攝儀獲取光學影像數據及通過檢校后得到航攝儀檢校參數。無人機機載LiDAR各系統獲取數據類型見圖1。

圖1 機載LiDAR各系統組成及獲取數據類型

(2) 航測作業前，一般先將GNSS差分基準站架設在開闊的已知控制點上，盡量保證該控制點擁有與IGS站聯測的經緯度及大地高。架設的控制點距本架次有效航攝區域最遠處一般不超過5 km，且開關機應分別早于和晚于無人機POS系統10 min進行[13]。

(3) 航測作業時，每次開機后使LiDAR系統在開闊區域靜置等待3～5 min，此時POS系統進行初始化改正并鎖定衛星，作業結束后按同樣方法靜止。無人機起飛后，手動控制無人機或按預設航線進行“8”字繞飛，以激活INS中的陀螺儀，加速慣導收斂并使其找北方向。為控制慣導偏移，一般規劃航線時還需考慮直線段距離應在一定范圍內[14]。

1.3 數據處理及其注意事項

(1) 處理數據時，先將慣導數據、機載差分數據、差分基準站數據、公開的星歷數據等整理后再加入設備自身的偏心改正值計算得出軌跡文件及精準POS數據(緯度B、經度L、橢球高H、航向角Kappa/Heading、 俯仰角Omega/Pitch、滾轉角Phi/Roll等)。解算時，需檢查GNSS差分解是否固定，PDOP值、周跳等是否合格，各參數滿足要求后方可使用。LiDAR系統中POS解算一般優先使用計算精度更高的緊耦合解算方式。緊耦合原理如圖2所示。

圖2 緊耦合原理

(2) 因重疊度的設置，相鄰航帶間同名點會出現三維偏移現象[15]，LiDAR掃描的點云誤差會隨掃描角度增大而增大，一般小開角掃描到的點云精度大于大開角。預處理數據時一般據此理論進行航帶拼接處理。

(3) 在實際環境中和設備的干擾影響下，生產的點云不可避免會存在一定數量的噪聲點。此時需對噪聲點數據進行消除，避免其在點云分類時對計算造成影響從而出現分類錯誤的情況。

(4) 人機交互的進行點云去噪、去冗余、點云分類、點云賦色等系列操作后，使用處理后的點云生產點線地形數據。使用預處理后計算出的POS數據、光學影像數據與航攝儀檢校參數生產正射影像圖(DOM)，再根據DOM采集地物數據。最后將地形點線數據與地物數據結合后再人工編修、整飾、質檢生產最終的數字線劃圖(DLG)。

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2 工程應用

本次使用同一套機載LiDAR系統對平地、丘陵和山地3種地形的2個案例項目進行測繪并對成果進行分析。LiDAR參數為：最大測量距離1 350 m(反射率>60%)，最大視場角330°，測量精度1.5 cm，姿態角度精度為0.005°，無限次回波。相機參數為：有效像素4 200萬，鏡頭焦距18 mm。

2.1 案例1

(1) 概況與方案

該項目位于內蒙古自治區，為光伏能源基地建設項目。項目面積約為10 km2，地形類型為平地和丘陵沙地，地物以灌木為主，通車困難，擬生產1∶500地形圖。在項目范圍內按常規方法均勻布設像控點，并使用RTK實測若干地面檢查點作為對成果精度的檢核[16-17]。設計本案例的目的為計算同一地區機載LiDAR數據與標準像控光學相機航測數據的平面高程精度，并分析不同密度和厚度的植被覆蓋區2種點云的高程差值情況。

使用機載LiDAR系統對項目區域進行航測后，設計A、B兩種方案將獲取到的數據分開后計算并輸出成果。方案A為免像控機載LiDAR作業技術應用，使用LiDAR點云數據和光學影像等數據生產中間數據后制圖，生產過程中無地面像控點參與其中；方案B為標準像控光學相機測圖技術應用，使用光學影像數據結合地面像控點數據生產中間成果后制圖。

使用方案A生產的中間數據DOM和LiDAR點云成果記為Ad與Al，使用方案B生產的中間數據DOM和光學點云成果記為Bd與Bl。2種方案的成果數據與原始數據對應情況見表1。

表1 方案A、方案B成果數據與原始數據

(2) 精度檢查及結果分析

均進行去噪、去冗、地面點分類等操作后，將2種點云進行疊加對比分析，再使用實測檢查點對2種DOM數據平面精度及2種點云的高程精度進行檢查。中誤差計算如下：

(5)

公式(5)中：m代表中誤差，m；Δi代表較差，m；n為檢查點個數。

在項目范圍內分別挑選公路、田地、荒地、草地等地表植被覆蓋由少至多的不同區域進行機載LiDAR點云和光學影像點云剖面對比。對比后發現，同一剖面上Al與Bl在公路區的高程較差最大不超過0.03 m，剖面對比圖如圖3(a)所示；田地區高程較差最大不超過0.05 m，剖面對比如圖3(b)所示；荒地區高程較差最大不超過0.10 m，剖面對比如圖3(c)所示；草地區高程較差最大不超過0.10 m，剖面對比如圖3(d)所示。通過4種區域的剖面對比圖并結合實測檢查點檢查，發現在地表裸露較多的公路、田地區域Al與Bl高程接近，植被覆蓋的荒地、草地區域Al的精度較Bl更高。

圖3 不同區域Al(激光雷達點云)與Bl(光學影像點云)剖面對比

2.2 案例2

(1) 概況與方案

該項目位于云南省，為分布式山地光伏項目。項目總面積約為5 km2，地形類型為山地，地物以大面積灌木及部分樹林為主，無通車條件，像控點布設困難，擬生產1∶500地形圖。設計本案例的目的為檢查分析機載LiDAR免除像控點進行1∶500地形圖測繪的成果精度。

在案例區范圍內使用RTK在房角、電桿根部、道路標線等能明顯分辨平面位置區域實測平面檢查點34個，在草地、林地及裸露區地面實測高程檢查點285個，未測設像控點，使用LiDAR系統對項目區域進行航測。使用實測檢查點對機載LiDAR點云和平面地物數據進行精度檢查。

(2) 精度檢查及結果分析

使用實測檢查點檢查機載LiDAR點云的高程精度，檢查DOM的地物平面精度，通過計算得到點云和DOM平面及高程中誤差。統計結果見表2、3和表4 。

表2 部分高程較差統計表

表3 平面位置誤差統計表

表4 高程誤差統計表

根據GB 50026-2020《工程測量標準》中的要求，測制1∶500地形圖時山地地形的平面中誤差為0.40 m，高程中誤差為0.33 m[11]。通過計算得出：本次平面位置中誤差mS為0.20 m，DOM平面精度滿足相應要求；小于等于1倍平面中誤差限差的點占比100%，無大于1倍平面中誤差的點。高程中誤差mH為0.18 m，點位高程精度滿足相應要求；小于等于1倍高程中誤差限差的點占比93%，大于1倍高程中誤差小于2倍高程中誤差的點占比7%，無大于2倍高程中誤差的點。

3 結 論

(1)在平地、丘陵、山地3種地形中使用機載激光雷達系統免像控進行航測，地形圖成果平面中誤差均不大于0.20 m，高程中誤差均不大于0.18 m，平面高程中誤差滿足測繪規范中1∶500地形圖的精度要求。表明機載激光雷達技術可替代標準像控光學影像航測技術免像控測制1∶500地形圖。

(2)通過剖面圖對比和實測點檢查發現，機載雷達點云、光學影像點云的高程較差與測量區域的植被覆蓋厚度、密度成正相關，雷達點云高程更接近檢查點高程成果。表明在植被覆蓋區機載激光雷達系統能更加準確的測量地面高程，較傳統光學相機航測精度更優。