多源數(shù)據(jù)在鄉(xiāng)村地形圖測繪中的應(yīng)用探索

張慧智 張彎 賈寧

摘 要：移動三維激光掃描測量系統(tǒng)以其精度高、范圍廣和速度快等特點(diǎn)，在地形測量中發(fā)揮著重要的作用。但對于狹窄道路和遮擋嚴(yán)重的地方會造成數(shù)據(jù)的缺失，針對該問題，本文利用車載移動激光掃描系統(tǒng)結(jié)合無人機(jī)正射影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行鄉(xiāng)村地形圖測繪，最后通過全景影像進(jìn)行檢查，減少了外業(yè)踏勘任務(wù)量。

關(guān)鍵詞：移動測量系統(tǒng)；正射影像；地形圖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.190

0 引言

傳統(tǒng)地形圖測繪工作中，普遍采用人工測量并手工計(jì)算的方式進(jìn)行測量工作，該方法勞動周期長、投入人力大、測量精度低，且計(jì)算方法也不盡完善[1]。由于全站儀在鄉(xiāng)村地形測繪中受通視條件限制，楊五一[2]基于無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)測量福建省廈門市海滄區(qū)東孚鎮(zhèn)中多個(gè)鄉(xiāng)村的影像數(shù)據(jù)，獲取1：2000的地形圖；盧秀山[3]等人在狹窄復(fù)雜的鄉(xiāng)村地形環(huán)境中利用輕便型移動測量系統(tǒng)獲取鄉(xiāng)村地表及其附屬地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)并結(jié)合青島秀山移動測量有限公司研發(fā)的測圖軟件得到鄉(xiāng)村地形圖；文獻(xiàn)[4]以新疆焉耆縣北大渠鄉(xiāng)北大渠村為研究對象，利用網(wǎng)絡(luò)RTK方式測量地面控制點(diǎn)，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)（以下簡稱機(jī)載LiDAR）技術(shù)獲取農(nóng)村宅基地房屋地形圖；楊宏健[5]等人采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)手段采集某行政村的地表數(shù)據(jù)，利用三維測圖系統(tǒng)提取地物信息并進(jìn)行三維建模。隨著航空攝影、遙感影像、機(jī)載LiDAR 等技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，可綜合利用多源技術(shù)手段的各自優(yōu)勢，為鄉(xiāng)村地形勘測提供高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]。

移動測量系統(tǒng)可以高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是對地形復(fù)雜、無通行道路、大范圍植被、地勢陡峭的測區(qū)進(jìn)行地形圖測量時(shí)，該設(shè)備易受到限制。鑒于此，本文提出一種點(diǎn)云、正射影像、全景多數(shù)據(jù)結(jié)合方式進(jìn)行地形圖測繪，相對于單一測圖，多源數(shù)據(jù)測圖不僅提高了作圖的效率而且保證了測圖精度。

1 多源數(shù)據(jù)分析

1.1 車載移動測量系統(tǒng)

車載三維激光掃描系統(tǒng)主要是由定姿定位模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。其中定姿定位模塊（POS）主要由GPS、慣性導(dǎo)航單元（IMU）及DMI（人機(jī)界面）組成，為行駛中的車輛提供高精度的位置和姿態(tài)[7]。數(shù)據(jù)采集模塊主要由三維激光掃描儀和CCD全景相機(jī)構(gòu)成。利用GPS動態(tài)插值計(jì)算以傳感器系統(tǒng)中心點(diǎn)為測量原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系，IMU提供傳感器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，三維激光掃描儀對鄉(xiāng)村道路路面及周圍地物進(jìn)行快速掃描，全景相機(jī)獲取鄉(xiāng)村道路兩側(cè)的全景影像。車載三維激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

1.2 正射影像

正射影像是指將中心投影的像片，經(jīng)過糾正處理，在一定程度上限制因地形起伏引起的投影誤差和傳感器等誤差產(chǎn)生的像點(diǎn)位移的影像，是一種具有正射投影性質(zhì)、地理信息的遙感影像。影像上具有被測對象的坐標(biāo)、方位以及尺寸等信息，可直接在影像上量測距離及面積。

本文正射影像是通過無人機(jī)航空攝影技術(shù)手段獲取并以柵格數(shù)據(jù)形式存儲的遙感影像，衛(wèi)星影像生產(chǎn)處理流程如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云預(yù)處理

點(diǎn)云的預(yù)處理是采用青島秀山移動測量有限公司自主研發(fā)的點(diǎn)云處理系統(tǒng)-VsurPointCloud，它支持海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示和漫游，提供了點(diǎn)云選擇、交互測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)交互編輯、基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征信息提取等特色功能。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程一般包括：（1）點(diǎn)云濾波：是以去除測量噪聲為目的，其常用的方法主要有基于高程和基于掃描線去除噪聲兩種方法。（2）點(diǎn)云抽?。很囕d三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、密度大，為避免內(nèi)存溢出和資源浪費(fèi)需對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀。（3）點(diǎn)云分割：依據(jù)被測對象的幾何特征對點(diǎn)云進(jìn)行劃分，從而提取到點(diǎn)云中不同的物體。（4）點(diǎn)云分類：分類是對點(diǎn)云屬性識別的過程，是數(shù)據(jù)矢量化的前提。主要有近鄰聚類法和物體表面分割兩種方法[9]。

2.2 正射影像糾正

正射影像糾正的實(shí)質(zhì)是采用一種相對合適的數(shù)學(xué)模型，如仿射變換、投影變換、多項(xiàng)式矯正等，依據(jù)高精度點(diǎn)云和地圖的實(shí)際坐標(biāo)情況進(jìn)行必要的糾正。采用局部糾正的方式，首先獲取圖像坐標(biāo)系中一定數(shù)量且分布均勻的點(diǎn)，然后采集點(diǎn)云中同名點(diǎn)，利用GIS系統(tǒng)中的變換方式進(jìn)行影像的糾正。為了保證糾正的精度，通常均勻選取3對及以上同名點(diǎn)來進(jìn)行柵格影像幾何糾正[10]。

3 地形圖成圖

3.1 測區(qū)概況

本次測區(qū)為北方某鄉(xiāng)村，村莊多以瓦房為主，排列較為整齊，道路相對較窄。移動測量系統(tǒng)外業(yè)采集需投入2名作業(yè)人員，其中1名為駕駛員，1名為數(shù)據(jù)采集員；該系統(tǒng)在采集時(shí)可達(dá)到20-30公里/小時(shí)，與傳統(tǒng)測量方法相比，節(jié)省了大量時(shí)間；內(nèi)業(yè)測圖可多任務(wù)并行操作，大幅度提高作業(yè)效率，縮短工程周期，降低了作業(yè)成本。

3.2 地形成圖

借助青島秀山移動測量有限公司研發(fā)的測圖軟件（VsurMap），將車載移動測量激光點(diǎn)云與機(jī)載正射影像進(jìn)行匹配，對激光點(diǎn)云與正射影像進(jìn)行不同分辨率、不同尺度數(shù)據(jù)的相對配準(zhǔn)，如圖3所示，。對鄉(xiāng)村地物進(jìn)行提取，其最終效果如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文首先通過車載激光掃描方法獲取點(diǎn)云，結(jié)合基于無人機(jī)航空攝影測量獲取的鄉(xiāng)村影像，然后對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后形成鄉(xiāng)村地形圖。該方法結(jié)合了兩種作業(yè)方法各自優(yōu)勢，提高了作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精度，節(jié)省了大量時(shí)間。

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作者簡介：張慧智（1992-），女，河北邢臺人，研究生在讀，碩士，研究方向：移動測量技術(shù)與方法。