機載LiDAR在林地面積調查中的工程應用

李軼波，李文山

（1.山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030000）

土地資源是重要的生產資料，是人們賴以生存和發展的基礎，土地利用現狀和變化，不僅影響社會經濟的持續發展，而且還間接影響環境的變化[1-2]。因此，人們迫切期望能快速、客觀、準確地監測土地利用現狀，并及時掌握變化信息，以實現土地資源的科學管理[3]。由于地形、氣候和交通的影響和限制，傳統生態調查是非常艱辛的工作，不僅采集數據困難、獲取的結構化信息十分有限，而且測量結果受人為主觀因素的影響較大。

對于林地面積調查，以往采用的是人工測量與遙感衛星影像的方式。人工測量方式需耗費大量人力和時間成本，存在效率低、精度低和更新周期冗長等問題；采用遙感衛星影像計算林地面積的方式雖然節省了人力和時間成本，但普通衛星影像的分辨率較低，實時性相對落后，一般單位獲取高分辨率衛星影像較困難。三維激光掃描和無人機技術的出現，給林業測量工作提供了新的技術方法。機載激光雷達（Li-DAR）技術可在短時間內獲取大范圍的地形與地表數據，大大降低了野外測量的工作量，極大地提高了數據獲取效率和精度以及林業資源調查的效率和準確度[4-5]，特別是在人員難以到達的地區。利用獲取的高精度點云數據，可分析林木覆蓋面積變化情況，林木類型、分布情況和生長階段概況等[6]。本文利用Li-DAR系統獲取某區域的點云數據來調查該區域的林地面積以及分布情況。

1 機載LiDAR系統

機載LiDAR系統以無人機為平臺，傳感器包括激光掃描儀（LS）、全球導航衛星系統（GNSS）和慣性測量單元（IMU）等。LS安裝在無人機的下端，用于向地面發射激光脈沖，并采集從發出到返回所用的時間、反射強度和掃描角度等信息[7-8]。通過GNSS測得的平臺坐標和IMU獲得的無人機姿態信息，計算得到激光達到的地面與激光發出點的距離。GNSS和IMU用于確定無人機飛行時的位置和姿態，從而定義了距離測量值的原點，經過坐標變換，可精確獲得激光到達物體表面的三維坐標信息。

機載LiDAR系統搭載的LS具有多次回波特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多個回波數據，具有更強的穿透性[9]；同時，系統獲取的點云數據可達約10 cm的精度，數據精度較高；無人機載體相對于車輛載體，其作業更加靈活，通達性更好，能在車載不易采集和無法采集區域獲取點云數據，在林業精準調查、電力線巡檢和海岸帶檢測等方面具有更強的適用性。

2 作業方案

在正式開展項目的全流程中，按照相關規范進行工程過程控制與管理。

1）成立項目組。為保證工程項目生產的順利進行，成立項目組，由組長全面協調內外業人員的工作。

2）工作質量控制。項目組成員嚴格按照質量相關要求開展數據處理和資料整理工作，嚴格執行相關數據處理規范，做好資料的互檢與審核工作，成果資料必須經過質量審核方可交付。為達到質量管理要求需做到：①切實重視成果質量，對不合格的測量數據堅決予以否定，推倒重來；②嚴格按照相關數據處理規范進行作業，并嚴格遵守操作規程，確保按時完成；③進行工序管理控制，嚴格抓好各道工序間的過程控制，以保證每一階段數據的真實可靠。

3）安全管理。嚴格按照安全管理體系要求進行信息安全管理，所有測量資料數據及其存儲均按照要求嚴格控制。

4）生產計劃與接收準則。按照計劃對數據進行生產，生產過程中嚴把質量關，從數據預處理到后處理層層把關，數據提交質檢小組進行檢查。

整體工作方案分為外業數據采集、內業數據解算和數據處理與分析3個部分，如圖1所示。

圖1 整體工作方案流程圖

2.1 外業數據采集

外業數據采集嚴格按照相關技術標準規范，測量前充分做好準備工作，測量中實時關注測量數據的完整性，按照計劃進行數據獲取，確保獲取的數據完整有效。

1）檢核點測量。利用GNSS接收機鏈接千尋CORS，在測區內采集一定數量的檢核點，用于后期成果的精度檢查。

2）基準站架設。為保證POS系統的定位精度，航攝飛行前30 min，需在測區附近（距離小于30 km）建立GNSS基準站，基準站上架設高精度GNSS信號接收機，該接收機與無人機POS同步記錄。基準站架設時嚴格對中整平，量取天線高，基準站開機采集采樣間隔為1 Hz的靜態數據。后處理中利用PPK后處理差分技術解算得到無人機的精確位置。

3）儀器安裝。不用時儀器應存放于常溫、干燥的環境中，保持機身清潔。長時間使用后，鏡頭上往往會沾有灰塵，需用專用鏡頭紙擦拭干凈。

儀器安裝過程中應確保每一根連接線和每一個連接件都連接緊。檢查通電后的指示燈情況，確保儀器正常工作。若無人機長期不用或無人機飛行方向明顯不正確，則需進行磁羅盤校準。檢查通電后3個指示燈的情況（表1），3個燈常亮表示儀器正常工作。

表1 儀器燈狀態說明表

4）飛行航線規劃。航線設計可在測量實施前或現場進行規劃，利用地面站軟件生成相應測區的測線。

5）機載LiDAR掃描。由于IMU易受累計誤差的影響，因此正式開始測量前，需對IMU進行初始化，以提高IMU的后處理精度。具體實施方法為：無人機繞“8”字飛行，觀察儀器的PDOP值，若PDOP值穩定在1.5以下，說明初始化已完成，可開始測量。無人機按照行高50 m，飛行速度5 m/s，航線間隔60 m的規劃進行作業。飛行過程中無人機飛行范圍超出規定范圍線50 m，以保證飛行數據的精度和數據的完整性。

6）過程實時監控。測量中可實時觀察INS數據和激光數據的存儲量，INS存儲數據量穩定在0.01 MB/s，激光存儲數據量控制在2.50 MB/s左右。

2.2 內業數據解算

利用Inertial Explorer軟件對無人機POS系統的數據與基準站獲得的GNSS數據進行聯合解算，得到作業過程中無人機的準確位置信息與姿態信息；再將導出的POS數據導入ScanLookPC軟件，解算得到具有準確姿態位置的點云。如圖2所示，經過高程渲染的點云數據滿足后續作業處理要求。

圖2 機載LiDAR點云（高程渲染）

3 數據處理與分析

3.1 基于統計規律的點云去噪

LiDAR點云是通過LiDAR掃描獲得的，以離散、不規則的方式分布在三維空間中的點的集合[10]。由于周圍環境或掃描儀本身特性，激光束在數據獲取過程中有時會產生異常點，即噪聲點。常見的噪聲點主要包括高位粗差和低位粗差，高位粗差通常是由于數據采集過程中受鳥類等低飛飛行物的影響，誤將這些物體反射回來的信號當作被測目標的反射信號記錄下來所產生的；低位粗差則是由于測量過程中的多路徑誤差或掃描儀誤差產生的極低點，如由水漬導致的低于路面的點。如圖3所示，a區域的離散點為高位噪聲點，b區域的離散點為低位噪聲點。

圖3 噪聲示意圖

這兩類噪聲點以及路面上方的電力線等將影響后續處理，針對該問題，根據點云數據的高程直方圖統計規律，將高低噪聲和路面上方的散亂點去除。首先將分段后的點云數據垂直投影到XOY平面，根據式（1）和式（2）建立C列R行的規則格網，確定每個點的格網行列號；然后對每個格網內的點進行高程直方圖統計，繪制高程頻數分布直方圖，橫軸為高程值，縱軸為單組高程范圍的點數量；再根據地物點云的高程連續性和頻數差值特征，判斷高程閾值Z1、Z2，保留該格網內高程值大于Z1且小于Z2的點；最后將高程較小或較大，且數量較少的異常點刪除，如高低位噪點，路面正上方的電力線點、交通標志牌等。

式中，Xmax、Xmin、Ymax、Ymin分別為點云區域X、Y坐標的最大值和最小值；GSD為格網分辨率。

式中，col、row為當前點的格網列號和行號；X、Y為當前點的平面坐標值。

對原始點云數據進行去噪，得到的數據通過高程渲染如圖4所示。該數據為鄉村區域的點云，地形復雜、起伏較大；林地分布散亂，且高度不均，既有多年的喬木，又有栽種不久的小樹苗；同時存在低洼區域和房屋，以及零星的燈桿等。通過高程渲染，大部分樹木和燈桿等被渲染為紅色，道路和大棚區域被渲染為黃色，地面被渲染為綠色，低洼區域被渲染為藍色，因此可通過高程區分得到林地范圍。

圖4 去噪后的點云

3.2 地面點分離

為減少不必要的數據量，本文采用CSF[11]方法將地面點分離，選取陡坡模式，設置分辨率為0.5 m、距離閾值為0.3 m、迭代次數為500，去除地面點后的結果如圖5所示，可以看出，地面點被分離，樹木點云仍然保留，減少了數據量，便于后期處理。

圖5 分離地面點

3.3 林地面積計算對比

獲取非地面點云后，通過高程判斷，利用點云處理軟件在三維視圖中勾畫林地范圍，如圖6所示；再根據式（3），利用軟件自動計算單個多邊形的面積，并將林地區域的多邊形面積累加，即可得到準確的林地面積。

圖6 林地范圍示意圖

式中，S為多邊形面積；n為多邊形頂點數量；X、Y為頂點的坐標；Xn+1=X1；Y n+1=Y1。

為驗證該技術的可行性和準確性，通過人工多次測量的手段取均值，統計不同區塊的林地面積記為S P，通過軟件在點云中多次計算取均值的林地面積記為S，并計算偏差P。測量結果以及對比數據如表2所示，可以看出，大部分區塊的點云測量面積大于人工測量，經過計算，人工測量面積為9 001.15 m2，點云數據經過幾何計算的面積為9 665.67 m2，偏差平均值為6.11%，結果偏差符合要求，同時機載LiDAR系統獲取機載點云數據計算林地面積的測量計算方法減少了人工作業難度，提高了效率。

表2 不同方式調查的林地面積對比

4 結語

機載LiDAR系統是一種較為高效的新型測繪技術方法，實現了測區三維點云數據的快速采集，數據精度高、測區覆蓋全，對地貌地形具有三維實景還原能力。本文利用機載LiDAR系統獲取某區域的機載點云數據，通過內業數據解算和后處理，根據高程判別林地范圍，利用點云處理軟件在三維視圖中確定林地范圍并計算林地面積。通過實際工程實驗證明了機載LiDAR技術在林地面積調查等領域具有較大優勢，是一種較為完善的解決方案。