機載LiDAR點云在大比例尺地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

□ 呂愛美

（山東省國土測繪院，山東 濟南 250102）

0.引言

傳統(tǒng)航測技術(shù)是通過航空影像空三加密，建立立體模型后人工測取高程點、等高線，生成DEM，工序比較繁瑣，工作量大，耗費大量的人工和時間。機載激光掃描技術(shù)(LiDAR)是20世紀80年代中期逐漸發(fā)展起來的一項高新技術(shù),該技術(shù)通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面的三維點云信息,具有數(shù)據(jù)獲取速度快、空間與時間分辨率高、動態(tài)探測范圍大、主動性強等特點，廣泛應(yīng)用于大比例尺測圖、公路建設(shè)、電力巡線等各個領(lǐng)域[1-2]。對于大范圍的地形掃描，由于沒有軟件能夠?qū)Ψ堑匦吸c剔除，容易造成數(shù)據(jù)缺失，其應(yīng)用于地形圖精細繪制還需要進行研究[3]。

1.技術(shù)路線與方法

機載LiDAR技術(shù)流程主要包括航空影像和點云數(shù)據(jù)同步獲取、數(shù)據(jù)處理、基于點云的數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）制作，基于點云的高程點選取、等高線自動生成，等高線和高程點映射至立體模型、地物采集、外業(yè)補調(diào)、立體檢查修改，全要素地形圖生成。傳統(tǒng)航測技術(shù)流程主要包括航空影像獲取、空三加密、地物地貌采集、外業(yè)補調(diào)、立體檢查修改、地形圖生成。

機載LiDAR技術(shù)流程和傳統(tǒng)航測比較的技術(shù)流程見圖1。

圖1 技術(shù)流程對比圖

1.1 點云處理及DEM創(chuàng)建

LiDAR系統(tǒng)是利用機載激光雷達測距系統(tǒng)和GPS/IMU直接獲取地面點的三維坐標，形成離散的、不規(guī)則的三維點云數(shù)據(jù)[4]。與傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)相比，機載LiDAR技術(shù)不受日照、天氣影響，可全天候主動快速獲取精準的高分辨率數(shù)字地面模型及地物的三維坐標，具有采集速度快、高程精度高、成圖周期短等特點[5]。

LIDAR點云數(shù)據(jù)的處理主要分為預(yù)處理和后期處理兩個部分。預(yù)處理包括軌跡線解算和點云與處理兩個方面。軌跡線解算采用POSPac軟件，將機載動態(tài)GPS數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)和地面基站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)進行組合計算處理，從而提高動態(tài)GPS數(shù)據(jù)精度，并通過GPS與IMU的相互解算，將定位和測姿精度控制在測量誤差允許范圍內(nèi)。根據(jù)SDCORS站點和地面基站分布及觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，數(shù)據(jù)處理模式選擇多基站Smartbase或單基站緊密耦合算法。POS數(shù)據(jù)聯(lián)合地面基站數(shù)據(jù)經(jīng)前算、后算、精算和平滑處理，獲得包含坐標位置與姿態(tài)信息的軌跡線文件和精度文件。

點云預(yù)處理采用LMS軟件，利用重疊航帶之間、對飛構(gòu)架航線之間以及航線與構(gòu)架航線之間存在的同名面，通過構(gòu)建同名面坐標誤差方程，采用最小二乘原理獲得系統(tǒng)檢校參數(shù)。再由激光測距文件聯(lián)合軌跡線文件，附加系統(tǒng)檢校參數(shù)，進行解算生成三維點云數(shù)據(jù)。

后期處理主要是依托LAS++Pro和TerraSolid軟件平臺，對預(yù)處理點云數(shù)據(jù)進行細分類，生成DEM。由于本測區(qū)范圍內(nèi)多為丘陵和山地，植被覆蓋稀疏，光線抵達地面率高，這就增加了LIDAR數(shù)據(jù)的準確率。部分數(shù)據(jù)受到地面高大植被、建筑物、移動物體等的影響，必然會有部分的噪聲點。通過后期處理，將噪聲點、非地面點進行分類，根據(jù)絕對高程或設(shè)定閾值來去除明顯的異常點，或?qū)Σ糠质д鎱^(qū)域補充，以得到高精度點云數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型DEM（如圖2、圖3所示）。

圖2 點云處理前

圖3 點云處理后

1.2 等高線自動生成

等高線是表達地形、地貌特征的主要內(nèi)容，為解決目前地形圖生成中地貌測繪問題，從點云數(shù)據(jù)中快速獲取等高線是一種較好的途徑[6]。

以選取的測區(qū)數(shù)據(jù)為例，在EPS的點云模塊里，導(dǎo)入精準點云數(shù)據(jù)，選擇適合本項目的等高距為1.0m或2.0m，輸入計、首曲線編碼、最佳的等高線生成參數(shù)3×3（山地），經(jīng)過3次去抖動、平滑（參數(shù)可為0.8）、懸掛線頭檢查等處理，生成較為滿意的本測區(qū)范圍內(nèi)的等高線。

設(shè)定面積基數(shù)，刪除平整旱地、路面、居民院內(nèi)的細少閉合曲線。且不可刪除山頭、凹地的閉合曲線。范圍內(nèi)會有部分曲線斷開、懸掛等，需連接同高曲線，改至無拓撲錯誤。

1.3 DOM制作

數(shù)字正射影像圖(DOM)是一種新的圖種，它是可以量測的真實影像，其用途越來越廣泛。目前，數(shù)字正射影像圖已經(jīng)成為測繪生產(chǎn)部門的一個重要產(chǎn)品[7]。在清華三維EPS的航天遠景模塊里，結(jié)合空三加密數(shù)據(jù)和數(shù)字影像，導(dǎo)入等高線數(shù)據(jù)。大比例尺正射影像在紋理清晰的區(qū)域易產(chǎn)生移位、變形，可適當采集道路、水系等主體框架定位。然后構(gòu)TIN(三角立體控制網(wǎng)),生成分辨率為0.2m的單片數(shù)字正射影像DOM。DOM生產(chǎn)包括單片正射糾正、勻光勻色、鑲嵌線自動匹配、鑲嵌線編輯和成圖輸出[8]。其余地物如：居民地、梯田等則會準確清晰，這為后續(xù)的高程點位提取，提供了前期的基礎(chǔ)圖件。

1.4 立體地物地貌采集

傳統(tǒng)航測的地物、地貌采集是在本步驟開始的。采用常規(guī)的立體測圖軟件JX4G或VirTuoZo，由于受到航高、航片比例尺、空三加密、人人各異的立體觀測視差等幾個環(huán)節(jié)，高程點的采集精度大大降低，且每個高程點均需人工看準立體逐個采集。手繪等高線則需熟練作業(yè)員配合X,Y方向的手輪時刻切準地面，逐條繪出。人力耗費巨大，效率低下。

遵循信息化的前提下，在保持地物等空間對象的整體性、完整性基礎(chǔ)上[9-11]，按照地物概括原則，合理采集地物。為了節(jié)省時間和外業(yè)的工作量，本類圖一般采用先內(nèi)后外的模式。新的技術(shù)流程是在EPS的航天遠景模塊，利用空三數(shù)據(jù)，建立立體模型，采集地物，疊加DOM放圖后，外業(yè)再適當補充調(diào)繪。

按照利于設(shè)計，服務(wù)于施工，提前預(yù)知工程成本的原則，地物的采集分為規(guī)劃道路中心線兩側(cè)各500m以內(nèi)和以外，有兩種不同的要求。即500m以內(nèi)，地物需詳細表示。其精細程度應(yīng)與1∶500地形圖相當。500m以外，地物可適當綜合表示。

1.4.1 500m范圍內(nèi)房屋應(yīng)單棟繪出。梯田坎高差在1m左右的須逐條表示。水井、池塘、河流等水系準確定位水涯線。

1.4.2 為便于施工，通往施工現(xiàn)場的道路應(yīng)詳細繪出。寬度在2.5m左右道路，要依比例尺表示，依照路面鋪設(shè)材料，分出鄉(xiāng)村路、大車路、等外公路、等級公路等級別。

1.4.3 施工范圍內(nèi)的經(jīng)濟林、喬木林須繪出明確的邊界。墳地用地類界表示邊界，內(nèi)部標注墳頭個數(shù)。這非常重要。

總之，按照《項目技術(shù)設(shè)計書》的要求，內(nèi)業(yè)判讀的地物數(shù)據(jù)幾乎占測區(qū)總地物數(shù)據(jù)的90%，個別在立體下難以判讀的地物，可待外業(yè)調(diào)繪。

1.5 高精度高程點選取

地形圖上的高程點即標有高程數(shù)值的信息點，通常與等高線配合表達地貌特征的高程信息[12]。公路項目，設(shè)計方最為關(guān)心的是現(xiàn)實的可行性和工期的預(yù)知性。因為是山地，施工時會有大量的土方工程，這需要我們提供便于土方計算的精確圖形。所以高程點的選擇便成為重點之一。其步驟是：在EPS點云處理模塊里，導(dǎo)入編輯后的等高線和DOM，疊加上處理后的高精度點云數(shù)據(jù),利用“提取高程點”功能，人工提取符合公路項目地形要求的高程注記點。

1.5.1 首先關(guān)乎土方量大的山丘、溝壑，即山頂、鞍部、凹地須有高程點和詳細的等高線表示。凹地的高程點位在最低處，且最低一條等高線上應(yīng)表示向內(nèi)的示坡線。

1.5.2 梯田的坎上、坎下均要有高程點，長條且有高差變化的梯田，要在梯田的兩端適當選點（如圖4所示），這便于設(shè)計出準確的土方量。

1.5.3 參照DOM，在路交叉口處一定要有高程點，（如圖5所示）。沿上山道路200m左右，均勻布高程點。

1.5.4 雙線水系上的水涯線、橋梁、水井等，提取高程點。由于橋梁為架空地物，此處的點云數(shù)據(jù)有可能已被處理掉，在橋附近選點，極有可能為水涯線高程點，因此需要從橋兩頭路面分別提取高程點，等傾斜求出中間橋面高程點。

1.5.5 水庫的堤壩、溢洪道、水涯線須提取高程點。且三者的高程依次降低，高差在2m至5m不等。

1.5.7有選擇加注計曲線的標高列。高程點除上述的關(guān)鍵部位外，余下的要“品”字形分布選取，達到每個方里網(wǎng)10～15個，以滿足設(shè)計需求。

圖4 梯田坎高程點的選?。ǖ雀呔€無需打斷）

圖5 道路交叉口高程點選取（等高線應(yīng)連續(xù)）

2.數(shù)據(jù)內(nèi)容的必要補充

一幅大比例尺地形圖包括地面詳細的地物和地貌。地物部分，內(nèi)業(yè)并不能完整解釋清楚，還需以下步驟:

2.1 外業(yè)補調(diào)

測繪行業(yè)一貫主張“內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)定性”。即內(nèi)業(yè)在立體模型下能夠準確定位地物的坐標，性質(zhì)要外業(yè)核實。外業(yè)補調(diào)就是對內(nèi)業(yè)無法判別的地物如被高大樹木遮蓋的房屋、電桿等進行實地勘察，然后一一確定。本步驟，新舊技術(shù)路線均不可缺。經(jīng)過外業(yè)補調(diào)，內(nèi)業(yè)的遺漏均會被補充，地物的性質(zhì)被注明，一套完整的地物數(shù)據(jù)便形成。

2.2 檢查修改

自動生成的等高線經(jīng)過編輯和人工提取高程點以后，就形成了測區(qū)的基本地貌數(shù)據(jù)。因為下面幾個因素的影響，這個數(shù)據(jù)局部是存在問題的。

2.2.1 在植被覆蓋密度高的區(qū)域，掃描激光穿透地面受到阻礙，這樣的區(qū)域幾乎沒有自然地表的信息。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)分布不均勻。由于掃描方式本身的缺陷，造成數(shù)據(jù)分布并不均勻。

2.2.3 飛機飛行時由于受到氣流、飛行高度、地形、局部云彩的影響使個別區(qū)域可能無掃描光斑，導(dǎo)致存在部分盲區(qū)或失真區(qū)域。

（1）改革法律課程體系，完善法律課程設(shè)置。萬麗紅等人于2001年提出了將衛(wèi)生法規(guī)與護理法納入護理教學(xué)體系的構(gòu)想[4]。因此，建議學(xué)校在護生即將進入臨床科室實習(xí)之前，將國家醫(yī)療護理法律法規(guī)納入課程學(xué)習(xí)。讓護生明確護理工作中潛在的法律問題，如侵權(quán)行為、疏忽大意與瀆職、規(guī)范的護理文件記錄等，使其了解護理執(zhí)業(yè)過程中的相關(guān)法律規(guī)定。

由于以上原因，地貌數(shù)據(jù)必須映射至模型進行立體檢查和修改。應(yīng)用清華三維EPS的航天遠景模塊，在地物矢量中導(dǎo)入地貌數(shù)據(jù)，查看地物、地貌的套合情況。

（1）自動生成的等高線在路面上、坎上坎下小幅度迂回的情況，特別是單線路與等高線（如圖6所示）。考慮到在立體采集坎時人工視差，建議此種情況可不做處理。

（2）等高線與水系的套合，在山上的溝壑中，會套合很好。在平地的池塘邊，會出現(xiàn)等高線完全落水、局部落水兩種情況。完全落水的應(yīng)刪除處理，局部落水可利用水面壓蓋。在堤壩上、居民地院內(nèi)、立交橋處的閉合等高線應(yīng)刪除。

圖6 等高線穿坎

3.精度分析

依據(jù)測繪標準CH/T9008.1—2010，我們這兩條公路的作業(yè)區(qū)屬山地類型，比例尺為1∶2000，等高距為2m，等高線插求點高程中誤差按1.5m執(zhí)行，粗差點按照2倍中誤差執(zhí)行。

平邑、五蓮等公路地形測量工程項目面積約200Km2，外業(yè)實測201個點，等高線插求點與實測點比對，計算差值；此項目無粗差點，最大誤差為-1.5m，最小誤差為 0m，按照公式：M=±SQRT（[△△]/N）,計算得到等高線中誤差為±0.53m，符合規(guī)范要求。而在傳統(tǒng)技術(shù)流程中，通過立體測量提取高程點，手繪等高線需要大量的人工和周期，精度一般。

4.結(jié)束語

綜上所述，機載LiDAR點云數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于大比例尺地形圖生產(chǎn)是完全可行的、高效的。相對于傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)，工序更加簡化，自動化程度高，縮短了生產(chǎn)周期，尤其在山地、丘陵地區(qū)優(yōu)勢明顯，這種方法能夠節(jié)省巨大工作量，降低勞動強度，提高工作效率，數(shù)據(jù)精度更高，并且可以滿足多種比例尺地形圖的生產(chǎn)要求。

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