機(jī)載激光雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)選址大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

王彬

佛山市測(cè)繪地理信息研究院 廣東 佛山 528000

1 引言

大比例尺地形圖具有詳細(xì)的地物、地貌和地理信息等，可按照實(shí)際需要縮編成不同比例尺，為機(jī)場(chǎng)選址、預(yù)可行性研究、可行性研究、總體規(guī)劃設(shè)計(jì)、近期工程建設(shè)初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等工作提供全要素、高精度的基礎(chǔ)底圖。

目前傳統(tǒng)的RTK[1]結(jié)合全站儀的全野外數(shù)字化測(cè)量[2]的方式無法滿足地形復(fù)雜、植被覆蓋茂密區(qū)域大比例地形圖的需要，精度和效率無法得到保障，且安全風(fēng)險(xiǎn)較大。機(jī)載激光雷達(dá)作為一種全新的測(cè)繪技術(shù)手段，具有獲取數(shù)據(jù)精度高、速度快、范圍大，采樣密度高、直接獲取三維坐標(biāo)、有一定的穿透性、多重回波及回波強(qiáng)度信息等特點(diǎn)，較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量手段的不足，目前正被廣泛應(yīng)用于地形圖測(cè)量、道橋工程測(cè)量、礦山測(cè)量等領(lǐng)域[3-4]。

2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作的基本原理

機(jī)載激光雷達(dá)是地球科學(xué)對(duì)地觀測(cè)的一項(xiàng)新興技術(shù)，是傳統(tǒng)無線電技術(shù)和微波雷達(dá)技術(shù)向光學(xué)雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，通過發(fā)射激光脈沖及精準(zhǔn)的量測(cè)回波所經(jīng)過的時(shí)間計(jì)算傳感器與目標(biāo)物之間的距離，再結(jié)合載體姿態(tài)信息、位置信息進(jìn)行相關(guān)解算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到高精度的三維數(shù)據(jù)。

3 機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用于測(cè)制大比例尺地形圖的作業(yè)流程

3.1 控制測(cè)量

首級(jí)平面網(wǎng)：為滿足機(jī)場(chǎng)選址要求，需要在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)首級(jí)控制點(diǎn)，按照GNSS-C級(jí)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)。采用邊連式、網(wǎng)連式布網(wǎng)，由多邊形閉合環(huán)構(gòu)成帶狀圖形，其中所有觀測(cè)邊都為獨(dú)立基線向量，并且要求閉合環(huán)中的邊數(shù)不多于6條。平面控制網(wǎng)采用GNSS靜態(tài)載波相位觀測(cè)方法，觀測(cè)精度結(jié)合《民用機(jī)場(chǎng)勘測(cè)規(guī)范》（MH/T5025-2011）中的三等衛(wèi)星定位測(cè)量精度和《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》，具體如表1所示。

表1 GNSS網(wǎng)的主要技術(shù)指標(biāo)

GNSS-C級(jí)網(wǎng)所有基線解算采用Gamit10.70軟件計(jì)算雙差固定解，所得基線結(jié)果應(yīng)經(jīng)同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)及復(fù)測(cè)邊檢核；基線解算合格并符合各項(xiàng)限差后，采用武漢大學(xué)的COSAGPS V5.21軟件進(jìn)行自由網(wǎng)平差和約束平差。以佛山市GNSS-B級(jí)平面控制點(diǎn)及CORS站作為約束點(diǎn)，在佛山市2000坐標(biāo)系下，對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行約束平差。

首級(jí)高程網(wǎng)：首級(jí)高程控制網(wǎng)按國(guó)家二等水準(zhǔn)網(wǎng)精度施測(cè)，平均每5km布設(shè)1個(gè)基巖水準(zhǔn)點(diǎn)，布設(shè)成環(huán)形網(wǎng)，并應(yīng)與國(guó)家控制點(diǎn)相聯(lián)測(cè)。起算點(diǎn)高程檢測(cè)精度不大于mm（R為檢測(cè)長(zhǎng)度，單位為km），主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 二等水準(zhǔn)網(wǎng)主要技術(shù)要求

首級(jí)高程網(wǎng)平差計(jì)算采用武漢大學(xué)的CODAPS V6.0作為平差軟件，計(jì)算每公里水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差及全中誤差、最弱點(diǎn)高程中誤差、相鄰點(diǎn)的相對(duì)高差中誤差，并分析各項(xiàng)精度指標(biāo)是否滿足規(guī)范限差要求。并采用南方平差易2005作為檢核軟件以保證成果的可靠性。

GNSS-E級(jí)加密控制網(wǎng)：依據(jù)建立的首級(jí)網(wǎng)，在測(cè)區(qū)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，布設(shè)GNSS-E級(jí)點(diǎn)，控制點(diǎn)分布均勻。為提高GNSS-E級(jí)網(wǎng)高程精度，需進(jìn)行GNSS-E級(jí)點(diǎn)的四等水準(zhǔn)高程聯(lián)測(cè)，布設(shè)起閉于二等水準(zhǔn)點(diǎn)的四等水準(zhǔn)網(wǎng)，水準(zhǔn)路線盡量沿坡度較小、交通不太繁忙的公路、河堤布設(shè)，水準(zhǔn)路線一般應(yīng)閉合成環(huán)并構(gòu)成網(wǎng)狀。

3.2 航線設(shè)計(jì)

飛行器在航飛之前，需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)：包括測(cè)區(qū)內(nèi)的最高建（構(gòu)）筑物的高度（高壓線的分布）、測(cè)區(qū)內(nèi)適合起飛的場(chǎng)地、以及測(cè)區(qū)內(nèi)適合擺放基站的場(chǎng)地[5]。然后根據(jù)周邊地形、最高建筑物、歷史測(cè)量數(shù)據(jù)等進(jìn)行合理的航線設(shè)計(jì)，合理劃分飛行架次，優(yōu)化航飛方案，提升航飛作業(yè)效率，降低安全事故發(fā)生概率。

3.3 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是內(nèi)業(yè)空中三角測(cè)量的依據(jù)，通過在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)平高控制點(diǎn)，平均每平方公里布設(shè)1至2個(gè)。像控點(diǎn)主要分為3類：軟土像控點(diǎn)、硬地像控點(diǎn)、和地物像控點(diǎn)[6]。像控點(diǎn)平面位置和高程測(cè)量采用CORS進(jìn)行RTK測(cè)量，軟土像控點(diǎn)統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)識(shí)中心，硬地像控點(diǎn)統(tǒng)一測(cè)量“L”內(nèi)直角，地物像控點(diǎn)測(cè)量能明顯分辨的特征點(diǎn)。像片平高控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不超過地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5；像片高程控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不超過1/10基本等高距。

3.4 軌跡解算與空中三角測(cè)量

利用地面站軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用控姿態(tài)文件（POS數(shù)據(jù)）、后差分基站和后差分移動(dòng)站數(shù)據(jù)文件進(jìn)行軌跡計(jì)算與后差分?jǐn)?shù)據(jù)處理。同時(shí)，利用共線共面條件方程的解析關(guān)系，建立連續(xù)攝取的具有一定重疊的航攝像片與實(shí)地相似的數(shù)學(xué)模型，采用機(jī)載GPS輔助空三平差軟件進(jìn)行平差，絕對(duì)定向時(shí)基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差和區(qū)域網(wǎng)間公共點(diǎn)較差的各項(xiàng)限值不超過GB/T 23236-2009 《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》。

3.5 點(diǎn)云分類

受各類客觀外界因素的影響，通過機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定比例的非正常數(shù)據(jù)，俗稱噪點(diǎn)，需要利用一定的算法和數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行刪除，最大限度降低噪點(diǎn)對(duì)成果的影響，使其客觀地反映出地物、地形及地貌特征，提高模型重構(gòu)的精確度和速度。數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程主要包括人工篩選、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)分割等，隨著數(shù)據(jù)預(yù)處理算法的不斷完善，以及預(yù)處理軟件自動(dòng)化、智能化程度越來越高，數(shù)據(jù)預(yù)處理的效率和質(zhì)量得到了顯著提升。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要分為兩大類型，地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)。其中地面點(diǎn)是指能夠準(zhǔn)確反映地貌特征位于裸地表面的點(diǎn)；非地面點(diǎn)是指落于其他地物上面的點(diǎn)，主要包括落于建構(gòu)筑物、樹木、草地等上面的點(diǎn)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)處理去噪后，為更加準(zhǔn)確地區(qū)分有效點(diǎn)和噪點(diǎn)，需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行人工判讀與處理。

對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行地面點(diǎn)分類即可得到地面點(diǎn)分類結(jié)果，如圖1所示，圖中綠色點(diǎn)云為植被，橘色點(diǎn)云為地面點(diǎn)。

圖1 地面點(diǎn)分類結(jié)果

3.6 地形圖制作

原則上由內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)調(diào)繪定性。內(nèi)業(yè)對(duì)于能夠準(zhǔn)確識(shí)別地地形要素，直接獲取點(diǎn)位并用對(duì)應(yīng)地圖式符號(hào)進(jìn)行表示，對(duì)于內(nèi)業(yè)分辨不清或者位置無法準(zhǔn)確捕捉的，進(jìn)行標(biāo)注，以在外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)充測(cè)量中進(jìn)行完善。

如圖2所示，激光點(diǎn)云切片前地物外圍邊界基本清晰。如圖3所示，激光點(diǎn)云切片后地物外圍邊界更加清晰，切片后嚴(yán)格按照地物特征點(diǎn)位采集，不遺漏、不變形、不改變位置。

圖2 點(diǎn)云切片前

圖3 點(diǎn)云切片后

將地面點(diǎn)生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型和等高線，如圖4所示，不規(guī)則三角網(wǎng)模型與規(guī)則格網(wǎng)模型相比較，數(shù)據(jù)冗余程度小，與現(xiàn)狀貼合程度高，可以充分地表達(dá)復(fù)雜地形特征[7]。如圖5所示，對(duì)等高線繼續(xù)調(diào)整與修飾并形成最終成果。

圖4 三角網(wǎng)模型

圖5 等高線

3.7 外業(yè)調(diào)繪

根據(jù)內(nèi)業(yè)生產(chǎn)的 1:500數(shù)字線劃圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪，完善地形圖的各要素注記，修正線劃圖中錯(cuò)漏的地形、地物，地類劃分，外業(yè)調(diào)繪主要要求如下：

1、建筑物調(diào)繪：建筑物平面位置以房屋外沿最大投影為準(zhǔn)，無毗連的建筑物逐個(gè)調(diào)繪并對(duì)房屋的建筑材料和層數(shù)進(jìn)行注記。2、獨(dú)立地物調(diào)繪：牌坊、紀(jì)念碑、方向性標(biāo)志、里程碑、雷達(dá)站、避雷針、水塔、煙囪、電桿、水井、墳地等均要求實(shí)地調(diào)繪并注記。3、管線調(diào)繪：電力線、通訊線、地下電纜，電桿、鐵塔，各種地面、地下及架空管線均在實(shí)地調(diào)繪和實(shí)測(cè)其位置，標(biāo)注線路方向和類別，并按規(guī)定符號(hào)表示，密集的管線只繪符號(hào)不連線、架空支架按要求適當(dāng)取舍。4、水系調(diào)繪：標(biāo)注河流、湖泊、水工建筑物的名稱，標(biāo)注河流、水渠水流方向。5、道路調(diào)繪：鐵路、公路、大車路、渡口、碼頭、橋涵、隧道等名稱，鐵路、公路等級(jí)、鋪面材料以及附屬物(如里程碑，指示牌、涵洞等)進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪標(biāo)注。6、地理名稱調(diào)繪：各類地理名稱注記，包括居民地、道路、橋梁、市鎮(zhèn)街巷、工礦企業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校、醫(yī)院、農(nóng)(林)場(chǎng)、大型文化教育建筑、名勝古跡以及山嶺、溝谷、河流、湖泊、港口等名稱。7、地類界及控制點(diǎn)調(diào)繪：各種地類、植被，路堤、沖溝、陡坎、梯田等實(shí)地調(diào)繪邊界和注記。各等級(jí)平面控制點(diǎn)、圖根點(diǎn)、水準(zhǔn)控制點(diǎn)等測(cè)量控制點(diǎn)均按規(guī)定符號(hào)表示。8、根據(jù)圖上標(biāo)記錯(cuò)漏的房屋、電桿、鐵塔、涵閘、水溝、陡坎、界線、架空道路的橋墩、地類界等地形、地物的地方，利用全站儀和RTK等儀器實(shí)地進(jìn)行地形碎部測(cè)量和地物測(cè)量。

3.8 數(shù)據(jù)檢查

對(duì)成果開展自檢，主要包括以下內(nèi)容：

1、層合法性檢查。將地物圖層選取錯(cuò)誤的直接歸到正確圖層。2、空間邏輯檢查。檢查數(shù)據(jù)空間邏輯性的正確與否，包含以下幾點(diǎn)：線對(duì)象只有一個(gè)點(diǎn)、一個(gè)線對(duì)象上相鄰點(diǎn)重疊、一個(gè)線對(duì)象上相鄰點(diǎn)往返（回頭線）、少于3個(gè)點(diǎn)的面對(duì)象、不閉合的面對(duì)象。3、房屋交叉檢查。用拖線、加折點(diǎn)、刪折點(diǎn)或者重新連線等方法，讓房屋線之間緊密貼合在一起。4、面不閉合檢查。任何面狀地物必須閉合，作圖過程中未閉合完成操作時(shí)，雖然會(huì)顯示面狀地物輪廓，實(shí)際上未完成操作就終止畫線操作，產(chǎn)生不封閉面，需要人工閉合。5、高程點(diǎn)與等高線矛盾檢查。其主要情況為點(diǎn)線不符，包括以下兩種情況：因?yàn)榈雀呔€未賦值引起的，選擇把等高線正確賦值即可。因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤點(diǎn)線不符，需人工干預(yù)。6、面包含檢查。檢查指定編碼面之間是否存在相互包含的關(guān)系，一般用面分割處理。7、等高線檢查。一般檢查等高線的值，或者等高線的編碼是否正確，首曲線、計(jì)曲線的編碼是否正確。

4 應(yīng)用案例分析

測(cè)區(qū)中心位于東經(jīng)112°34′、北緯22°52′，屬于肇慶市高要區(qū)與佛山市高明區(qū)交界處，測(cè)區(qū)內(nèi)大部分為低山丘陵區(qū)，高度100-300m之間，山地樹木茂密，植被類型以桉樹為主，樹冠形狀有尖塔形、多枝形和垂枝形等，地表多為針葉灌木植物，植被覆蓋率95%以上，區(qū)內(nèi)魚塘眾多、道路狹窄、氣候不穩(wěn)定，時(shí)有暴雨、冰雹等災(zāi)害性天氣。為滿足機(jī)場(chǎng)選址及后續(xù)工作的需要，受機(jī)場(chǎng)建設(shè)相關(guān)部門委托，佛山市測(cè)繪地理信息研究院采用機(jī)載激光雷達(dá)與傳統(tǒng)技術(shù)手段相結(jié)合方式對(duì)指定范圍進(jìn)行1：500地形圖測(cè)量。

通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)處理、外業(yè)調(diào)繪等流程，生成1：500地形圖正式成果，面積約56.24km2折合標(biāo)準(zhǔn)分幅（40cm×50cm）共1125幅。

成果委托廣西壯族自治區(qū)自然資源產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢驗(yàn)，采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣、內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的方式進(jìn)行檢查。內(nèi)業(yè)檢查成果的坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、比例尺等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)格式、要素編碼正確性、要素分層的數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性，地形圖符號(hào)、線劃、色彩質(zhì)量、注記質(zhì)量、圖面要素協(xié)調(diào)性等整飾質(zhì)量，檢查報(bào)告、技術(shù)設(shè)計(jì)總結(jié)等附件質(zhì)量；外業(yè)巡查地理要素的完整性、地理要素的協(xié)調(diào)性、注記和符號(hào)的正確性、綜合取舍的合理性等地理精度；采用RTK或全站儀測(cè)量地物點(diǎn)平面位置與高程，采用測(cè)距儀量取地物尺寸等檢查數(shù)學(xué)精度。共抽樣檢查90幅地形圖，檢測(cè)地物點(diǎn)高程中誤差最小為±0.037m，最大為±0.145m，限差為±0.145m；檢測(cè)地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差最小±0.083m，最大為±0.233m，限差為±0.25m；地形圖數(shù)學(xué)精度符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

機(jī)載激光雷達(dá)與傳統(tǒng)測(cè)量手段相結(jié)合的方式能夠有效克服測(cè)區(qū)地形地貌復(fù)雜、植被茂密、人員難以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)且危險(xiǎn)系數(shù)高等困難，能夠快速完成大面積的野外數(shù)據(jù)采集工作，通過人機(jī)交互式數(shù)據(jù)處理手段，經(jīng)過點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、去噪、分類、制圖、調(diào)繪等一系列后處理工作，極大地提高了生產(chǎn)效率。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，有力證明了利用機(jī)載激光雷達(dá)與傳統(tǒng)測(cè)量手段相結(jié)合的方式測(cè)制大比例尺地形圖是一種高效率、高精度的方法，隨著機(jī)載激光雷達(dá)和無人機(jī)低空航攝技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用中進(jìn)一步推廣，將來的大比例尺地形圖測(cè)制工作將更加高效便捷。