無(wú)人機(jī)載Li DAR密林區(qū)大比例尺地形測(cè)繪方法與試驗(yàn)

賀媛卉 鐘 良 黃慶飛 段錦章 衛(wèi)思雨

（1.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司，湖北 武漢 430014；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

0.引言

密林地區(qū)大比例尺地形測(cè)繪一直是水利工程勘測(cè)工作中的“卡脖子”問(wèn)題。（1）密林地區(qū)植被茂盛、地勢(shì)起伏較大且難以到達(dá)，采用傳統(tǒng)測(cè)量方法往往需要投入大量的人力和物力，工作強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)、成本高；（2）密林地區(qū)缺少明顯紋理特征，采用航空攝影方法較難選取適合的地面控制點(diǎn)進(jìn)行空三計(jì)算，無(wú)法獲取地表數(shù)據(jù)[1]。

LiDAR（Light Detection and Ranging，激光探測(cè)及測(cè)距）是一種主動(dòng)式遙感技術(shù)，它與定姿定位技術(shù)（POS/IMU）結(jié)合，通過(guò)發(fā)射激光脈沖并接收回波獲取目標(biāo)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有獲取數(shù)據(jù)量大、測(cè)量精度高且具有一定穿透性等特點(diǎn)，在工程勘測(cè)、自然資源調(diào)查、城市規(guī)劃、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域有著較為廣泛地應(yīng)用[2]。根據(jù)搭載平臺(tái)和作業(yè)方式的不同，Li DAR可分為機(jī)載激光雷達(dá)、地面架站式激光雷達(dá)、地面移動(dòng)式激光雷達(dá)等[3]。常規(guī)機(jī)載激光雷達(dá)由于飛行航速和相對(duì)航高較高導(dǎo)致點(diǎn)云密度較小，穿透密林到達(dá)地表的點(diǎn)非常稀少[4]，無(wú)法滿足大比例尺地形測(cè)繪的技術(shù)要求；而隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)續(xù)航時(shí)間、穩(wěn)定性的不斷提高和任務(wù)載荷持續(xù)向小型化、輕量化發(fā)展，無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)與常規(guī)機(jī)載激光雷達(dá)相比則具有獲取點(diǎn)云密度更高，航線設(shè)計(jì)和作業(yè)規(guī)劃更為靈活等特點(diǎn)[5,6]。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)基于無(wú)人機(jī)載LiDAR技術(shù)開展密林地區(qū)大比例尺地形測(cè)繪的設(shè)備選型、航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)方面進(jìn)行探討，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行考察。

1.項(xiàng)目概述

本試驗(yàn)任務(wù)總面積約12平方千米，要求獲取1∶2000地形數(shù)據(jù)。任務(wù)區(qū)域地處山區(qū)，最低海拔200米左右，最高海拔900米左右,地形起伏較大，植被茂密，交通不便，采用無(wú)人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行航攝。

2.設(shè)備選型

本試驗(yàn)采用云影飛揚(yáng)C200垂直起降無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載RIEGL_VUX-1LR 1350激光掃描系統(tǒng)，設(shè)備技術(shù)參數(shù)（如表1所示）：

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.試驗(yàn)與分析

本試驗(yàn)采用垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)搭載LiDAR系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航空掃描，獲取地面點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)，并基于地面基站數(shù)據(jù)對(duì)獲取的機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，生成包含坐標(biāo)與姿態(tài)信息的軌跡文件，與激光測(cè)距文件和檢校參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合解算，生成激光點(diǎn)云.las數(shù)據(jù)。分別進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)云分類和手工精細(xì)點(diǎn)云分類，分類出地面點(diǎn)，自動(dòng)構(gòu)建三角網(wǎng)生成DEM，并進(jìn)一步生成等高線，通過(guò)對(duì)等高線進(jìn)行編輯，形成最終地形測(cè)繪成果。技術(shù)流程（如圖1所示）：

圖1 項(xiàng)目技術(shù)流程

3.1 參數(shù)設(shè)定及航線設(shè)計(jì)

航速和掃描角一定時(shí)，點(diǎn)云密度與激光器脈沖頻率成正比，與相對(duì)航高成反比。而本試驗(yàn)航攝時(shí)間為7月，正值樹葉茂密期，激光脈沖的傳播損耗較大，激光器脈沖頻率升高會(huì)造成單個(gè)激光脈沖的能量減少，從而導(dǎo)致回波率的顯著降低，造成地表點(diǎn)密度的減少，因此脈沖頻率并非越大越好，而應(yīng)結(jié)合測(cè)區(qū)地形、相對(duì)航高等因素綜合考慮，選取相對(duì)較優(yōu)方案。本文分別對(duì)100kHz-200米相對(duì)航高（方案一）及200kHz-300米相對(duì)航高（方案二）兩種方案獲取的地面點(diǎn)密度進(jìn)行考察，兩次點(diǎn)云對(duì)比剖面（如圖2所示）：

圖2 方案一與方案二點(diǎn)云對(duì)比剖面

采用多次重復(fù)掃描方式提高點(diǎn)密度以滿足SL197-2013規(guī)范中1∶2000地形測(cè)繪要求，結(jié)果（如表2所示）?？梢钥吹剑捎梅桨敢猾@取的實(shí)際地面點(diǎn)密度更高，且重復(fù)掃描3次時(shí)，平均點(diǎn)間距為1.4米，滿足規(guī)范要求。

表2 不同參數(shù)下的點(diǎn)云密度情況

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

航跡文件解算及點(diǎn)云生成流程（如圖3所示）：

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算流程

（1）航跡解算。解算前，需要將靜態(tài)基站架設(shè)獲取的原始GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,輸入已知精確坐標(biāo)和天線高，選擇天線類型和量測(cè)位置，進(jìn)行航跡數(shù)據(jù)的差分計(jì)算。航跡解算是影響最終點(diǎn)云精度的重要因素，當(dāng)最終點(diǎn)云精度不理想時(shí)，應(yīng)采用不同方法（選擇不同基站數(shù)據(jù)或采用PPK等）進(jìn)行解算并選擇最優(yōu)解，避免航跡解算不佳影響最終點(diǎn)云精度。

（2）在后處理軟件里進(jìn)行LiDAR系統(tǒng)安置誤差檢校。

（3）航帶數(shù)據(jù)的匹配平差：導(dǎo)入航跡文件和原始激光測(cè)距文件，解算出激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)（若相鄰航帶高差差異很大，需重新解算），解算好的激光點(diǎn)云將在軟件里進(jìn)行航帶數(shù)據(jù)的匹配平差。一般要求相鄰航線的激光點(diǎn)云匹配誤差均在0.05米之內(nèi)，才能進(jìn)行后續(xù)的制圖工作。

（4）無(wú)人機(jī)LiDAR獲取的原始數(shù)據(jù)通常為標(biāo)準(zhǔn)UTM投影下的大地高，而此項(xiàng)目制圖成果為工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的正常高，需要通過(guò)平面和高程控制點(diǎn)測(cè)量，將原始LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)和高程轉(zhuǎn)換。

（5）經(jīng)過(guò)坐標(biāo)、高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)，檢驗(yàn)點(diǎn)云高程和平面精度是否符合要求。

3.3 點(diǎn)云濾波

3.3.1 點(diǎn)云自動(dòng)分類

在濾波軟件中編寫適合測(cè)區(qū)地形條件的宏命令，自動(dòng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分離多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的低點(diǎn)，分類地面點(diǎn)。需對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，以找到最優(yōu)的宏參數(shù)。運(yùn)行分類宏命令時(shí)，相鄰數(shù)據(jù)塊之間的重疊區(qū)需設(shè)置為50米，以減少數(shù)據(jù)塊之間的接邊差。

3.3.2 手工精細(xì)分類

主要目的為消除自動(dòng)分類時(shí)錯(cuò)分成地面點(diǎn)的噪點(diǎn)和低矮植被，以及由于地形復(fù)雜（分類參數(shù)無(wú)法顧及所有地形）導(dǎo)致的山頂、陡坎、懸崖等漏分情況。編輯時(shí)，一般同時(shí)集合兩種方式作參考，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，并通過(guò)對(duì)以下內(nèi)容的檢查來(lái)保證點(diǎn)云分類的質(zhì)量：（1）分類結(jié)果與正射影像是否對(duì)應(yīng)；（2）地面點(diǎn)云表面模型是否連續(xù)、光滑；（3）地面點(diǎn)的剖面圖形態(tài)是否合理。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度

選取5個(gè)區(qū)域點(diǎn)云地面點(diǎn)DEM，采用內(nèi)插高程點(diǎn)方式與1981個(gè)外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)比較，精度（如表3所示）。依據(jù)SL197-2013規(guī)范，山地圖幅等高線高程允許中誤差為±h（h為基本等高距，本試驗(yàn)中為2米。），密林地區(qū)放寬1.5倍后允許中誤差為h。因此，本項(xiàng)目地形測(cè)繪成果滿足1∶2000精度要求。

表3 不同參數(shù)下的點(diǎn)云密度情況

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等高線與傳統(tǒng)立體測(cè)圖方法獲取的 等高線疊加（如圖4所示）：

圖4 兩種方式生成等高線疊加

圖中紅色是LiDAR地面點(diǎn)點(diǎn)云，橙色為地面點(diǎn)DEM處理后的曲線，綠色為傳統(tǒng)立體測(cè)圖處理曲線，可以看到相較于傳統(tǒng)立體測(cè)圖模式，基于無(wú)人機(jī)載LiDAR技術(shù)生成的等高線明顯具有更高精度和更豐富細(xì)節(jié)。

4.結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工作中對(duì)山區(qū)地形測(cè)繪的任務(wù)要求，利用無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)作為新型的測(cè)繪手段，獲取了山區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到了山區(qū)的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對(duì)其做了檢驗(yàn)與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：利用無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云經(jīng)過(guò)后處理后，得到的山區(qū)地表點(diǎn)有著較好的精度和密度，能夠滿足山區(qū)地形圖繪制的要求，這為山區(qū)地形的測(cè)繪提供了更加先進(jìn)和便捷的手段，同時(shí)通過(guò)此次密林區(qū)域數(shù)據(jù)處理分析可以看出，在利用激光測(cè)繪山區(qū)大比例尺地形資料時(shí)，因茂密的植被會(huì)對(duì)獲取的點(diǎn)云質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響和差異，所以在設(shè)置采集參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮無(wú)人機(jī)相對(duì)航高的設(shè)置、掃描頻率的變化、目標(biāo)地物的特征，才能獲取足夠的地面點(diǎn)密度，使其能克服植被影響，保障后續(xù)濾波算法得以順利執(zhí)行，充分發(fā)揮機(jī)載激光掃描特性。