基于Lidar数据的正射影像制作1∶2 000地形图研究

2015-02-11汤建凤中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063ResearchonUsingOrthoImageBasedLidarDatatoProduce000TopographicMapTANGJanfeng

铁道勘察 2015年6期

汤建凤(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

汤建凤(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

摘要根据中开高速公路勘察项目的实例，介绍一种利用Lidar点云数据分类中的地面点和非地面点，通过叠加正射影像来修改地物投影差，判别地貌特征，制作1∶2 000地形图的方法，打破传统绘制地形图必须立体量测的思路。采用Lidar数据生产地形图使成图周期更短、自动化程度更高，能满足工程设计的规范要求。

关键词Lidar点云正射影像制作地形图

1概述

地形图一般指的是地表起伏形态和地理位置、形状在水平面上的投影图。即将地面上的地物和地貌沿铅垂线方向投影到水平面上，并按一定的比例尺缩绘到图纸上。在铁路工程、公路工程等项目中，地形图需要比较精确而详细地表示地面地貌水文、地形、土壤、植被等自然地理要素，以及居民点、交通线、境界线、工程建筑等社会经济要素。地形图的测绘有野外实测制图、室内航空摄影测绘和航天遥感测绘等方法。

目前，地形图的测绘以航空摄影立体测绘为主要手段。从GB/T7930—2008 《1∶5001∶1 0001∶2 000地形图航空摄影测量内业规范》、TB10050—2010《铁路工程摄影测量规范》、JTG/T C10—2007《公路勘测细则》、JTG C10—2007《公路勘测规范》可见，无论是精密立体测图仪、解析测图仪还是全数据摄影测图系统，都规定了定向、空三加密、立体测图、成图各过程的精度要求。

结合中开高速公路项目，介绍一种基于Lidar点云，利用正射影像制作1∶2 000地形图的方法。

2工程要求

中开高速公路项目位于广东省中山市至开平市，正线约150 km，比较线约70 km，成图宽度600 m范围。测区呈东西走向，东起东经113°37′，西至东经112°29′，北起北纬22°41′，南至北纬22°17′。地处繁华发达地区，水系发达，电网密布，各类工厂林立，交通便利，气候宜人，地形等级为平坦微丘地形，最高海拔约120 m。

根据中开高速公路项目合同要求，地形图图上地物点的点位中误差为：重要地物不大于图上0.6 mm，一般地物不大于图上0.8 mm。高程注记点的中误差：平原不大于0.23 m、微丘不大于 0.35 m。等高线的高程中误差：平原不大于0.33 m、微丘不大于 0.50 m[1，2]。这样的精度要求相当于国标1∶2 000地形图的平面精度和1∶500地形图的高程精度。

如果应用一般的胶片航空摄影或者数码影像摄影，为了满足工程要求都必须以成图比例尺为1∶500来设计航空摄影的比例尺或地面分辨率，这会加大航摄的成本投入和内业制图工作。如果以成图比例尺为1∶2 000来设计航空摄影的比例尺或地面分辨率，则航测内业制图必须采取全野外高程控制点和大量实测的高程散点相结合，大大增加了外业人员的工作量。在技术设计阶段，总体思路是找到一种既不增加成本投入，又能减少内外业工作量，最终成果满足工程需求的作业方法；采用Lidar技术，利用正射影像制作地形图就成为了研究首选。

3作业方法

中开高速公路项目采用机载雷达(Lidar)扫描技术，设备为德国TopoSys公司的Harrier68i系统(见图1)，飞机采用直升飞机。数码相机为德国TopoSys公司的Rollei Metric AIC Pro(像素6 000万)；惯导系统型号为Applanix POS/AV 系列，采样频率200 Hz；激光扫描仪的型号为Harrier68i，最大脉冲频率240 kHz，扫描角度45°/60°。该技术是以激光为测量媒介的新型遥感技术。设备参数见表1，相机参数见表2。

项目实施总体技术路线见图2。

3.1　航摄设计

综合考虑Lidar仪器设备的性能，南方广东省的地形、地势、气侯、高差和方案走向等情况，对摄区的分区、航高、航向重叠度、旁向重叠度和航行协调等一系列要素进行了合理设计。本次航摄总计拍摄航片4 182张，有效航片数3 493张，飞行平均航高700 m。航向重叠度平均约为57%，旁向重叠度约为35%，旋偏角不大于15°，航线弯曲度不大于3%，点云数据点密度为9点/m2。

3.2　地面参考站的架设

地面参考站采用采样间隔为1 s的天宝5800和天宝5700双频接收机。在线路的沿线作业范围内测量一些高程和平面数据来保证后期数据处理的精度，消除系统误差。本项目每隔5 km左右设计一个参考面，共布设了27个参考面(见图3)。平面测量使用GDCORS网络RTK、GPS-RTK和全站仪几种方式进行，主要采集路边线和有规则的房屋等，得到参考面上的平面数据，每处一般为20个，总点数不少于10个。为保证精度，流动站与基准站的最大距离不超过5 km。高程测量参考面全部选在比较平整的坚硬地面，旁边无障碍物阻挡。高程采用水准测量，每个参考面总点数不少于20个。高程起算点必须在四等水准高程或以上，由起算点引到参考面附近固定点，参考面观测按照五等水准观测技术要求进行，得到参考面上的高程数据。

3.3　机载激光雷达数据预处理

利用航飞时同步观测的基站数据，与机上GPS观测数据进行差分定位，解算出航迹位置文件。联合航迹位置文件和机上IMU观测数据，解算最终航迹文件。基于最终航迹文件和原始激光观测文件及影像曝光点，解算初步激光雷达数据和影像的外方位元素。

机载激光雷达数据预处理流程如图4所示。

3.4　点云数据精化

根据CH/T 8023—2011《机载激光雷达数据处理技术规范》中的点类定义，将有效范围内的点分到不同类别中。在DEM制作的基础上，分别把地面点[3]和非地面点存储在不同的文件里，利用DEM和航摄影像数据制作单幅正射影像(DOM)，利用影像处理软件对其进行拼接、匀色、分幅，制作50 cm×50 cm的正射影像图。

3.5　1∶2 000线划图绘制

1∶2 000地形图采用“激光点云辅助正射影像进行矢量化法”进行绘制，外业调绘成图。此方法与传统航测地形图有诸多不同。

(1)在绘图前首先检查正射影像和激光点的匹配情况，如果二者不符应及时查明原因，确定不符对象及其范围，并采取合理可行的补救措施。

(2)根据正射影像图绘制明显的地物，包括道路、房屋、水塘等。独立地物一般按比例尺绘出其外轮廓，不能按比例尺表示的，要求表示出其定位线或定位点。

(3)在地物判别不太明显的情况下一定要参考原始影像。其中绘制房屋和桥梁时一定要考虑其投影变形，在正射影像上先绘出建筑物的大小和形状，根据点云数据里对应的非地面点和地面点来确定其位置。由于激光点是直接的三维坐标，没有投影差，因此其平面精度是非常高的[4]。建筑物、构筑物轮廓凹凸在图上小于0.5 mm时，可用直线连接。街道上面积大于10 m2的安全岛、花坛、街心公园，宽度在1 m以上的绿化带和隔离带等均要表示。水系及其附属物按实际形状测绘，水塘要注意判别坎顶的准确位置，坎顶、水边要注高程点。河流、沟渠、池塘、湖泊、运河、水库当水涯线于岸边线的投影距离图上大于1 mm时要分别绘出，小于1 mm的可只绘轮廓线[2]。水渠在图上宽度小于2 mm时可用单线表示。

(4)绘制地类界、田埂、陡坎、水沟等，要按公路勘测细则尽量绘详细一点，以方便实际调绘。采样点间隔不要太大；陡坎可以根据给出的激光点高程值和原始影像进行区分。当激光点高差比较大，从影像上判断又是陡坎或斜坡时，应该绘制陡坎或斜坡。

(5)原始影像主要是用来对正射影像上判断不清楚的地物进行区分，将与正射影像对应的原始影像打开，旋转到同一方向，就可以很好的对其进行区分。

(6)利用精化处理的点云数据生成等高线，将等高线上的毛刺和多余数据进行编辑。为了满足地形图的美观要求，还要进行圆滑处理，测区内的特征点要保留下来，并筛选及标注高程点。

(7)地物、地貌的综合取舍应满足公路勘测细则要求，梯田以梯田坎和等高线表示，坎高小于1/2等高距的可以不绘，两坎间距在图上小于5 mm的可进行取舍，田埂宽度在图上小于1 mm时用单线表示，大片居民地内可不绘等高线。

(8)植被的测绘按成图面积大小适当取舍，经济作物要重点绘出。

3.6　地形图的外业调绘与修补测量

地形图调绘与修补测量严格按照《公路勘测细则》进行，调绘的工作底图为经过数字化作业的1∶2 000图并结合影像图进行。

结合测区和公路设计特点，对以下几点进行着重调绘及补测：

(1)调绘过程中对室内影像判别与实地有误的地方应进行补测，并在图上进行修改，确保相对位置准确，图式符号应用恰当，各种注记准确无误。

(2)对建筑物属性(层数)、材质进行准确调绘，对于在图上无法识别的建筑物，利用全站仪或RTK进行补测，以反映出建筑物之间的相对关系。

(3)对于在影像图上无法识别或分不清楚的独立地物，当地名人祖居故居、坟、风水树、庙宇、地下管线等，利用RTK或全站仪进行补测，以反映出与周边建筑物之间的相对关系。

(4)各类地理名称和工矿企业名称、植被等按现有的名称准确调注。

(5)对于设计图中的桥头、隧道口、立交互通处的地物准确调绘及测注。

(6)实测中心线300 m以内的各类管线及附属设施，高压线实测其塔架或电杆位置并注明电压值及线名，110 kV以上高压塔要注塔号，并测量悬高及线高程。低压线和通讯线要测出各个杆位，并分清走向。与设计公路相交时，测注交叉点与地面的垂直距离。各类地下管线沿地面标识测注平面位置，注明其用途走向。

(7)测区范围内的道路按规范、图式要求注记等级和建筑材料。公路实测里程碑并注里程数，铁路要实测并标注轨面高程，铁路曲线段要注外轨面高程。铁路和公路分别按每20 m、地形变化处、桥隧构造物处测注高程。

(8)对已有的桥梁其桥墩位置需要测量表示。

(9)对于控制线路方案的重点路段，如隧道、特大桥、大型互通式立交、重大不良地质地段、隐蔽地段等，要仔细测量、调绘；不能遗漏重要水渠(特别是山脚的水沟)、地物等对设计有重要意义的地形地貌，不能遗漏每一条宽大于0.5 m的小水沟或人行小路。

(10)当陡坎的高度超过1.5 m时，应测量坎的上、下高程点。

(11)地形图的文字注记应使用统一字体，字体大小按《地形图图式》GB/T20257.1—2007国家标准，文字宽高比为0.8，一般不得另行改动和变更。但沿线村名的字体应比国标大一号，并且用红颜色标注，以表示与其他字体的明显区别。在线路经过处，须标明各市、县的分界线。

(12)注意统一大面积的地物符号填充间距，高程点注记小数点后1位。

(13)提交地形图时，要及时展绘控制点。地形图上的平面、高程控制点如在测图范围以外，需在点之记上绘出控制点所在位置简易地形图。

(14)其它地物的调绘应参照规范、图式执行。

4精度统计

对完成的DOM、DEM进行外业检查。DOM平面检查采用GPS RTK测量和GDCORS相结合的方法进行，采用GPS RTK测量控制点，全站仪在GPS RTK图根点上直接设站，对定向点检查无误后，再测量房角、高压杆、通讯杆、道路边线等平面地物特征点，与DOM同名特征点进行比对。 DEM高程精度检查采用GPS-RTK/CORS测量检查的方法进行，实地测量旱地高程检查点、路面高程检查点、坎上高程检查点等，采集其高程，与点云成果对比。DLG成果利用外业实测的地物点、高程点与内业成图的数据进行比对。

4.1　DOM检查

对全线的DOM进行外业检查，全区面积327 km2，554幅1∶2 000 DOM数据成果。由于测区为带状地形，不满幅的DOM较多，外业仪检28幅，抽取位置相对均匀，检查基本可以反映全区域1∶2 000 DOM的基本情况，平面点共检查582个，中误差为0.33 m，小于限差1.2 m，平面误差满足《规范》要求。图幅中误差统计见表3。

4.2　DEM检查

高程点外业共检查905个，中误差为0.10 m，小于限差0.2 m(平原地区地类)，高程误差满足《规范》要求(见表4)。

4.3　DLG检查

对测区内DLG中房屋、道路、铁塔、围墙等地物的平面绝对位置和相对位置都进行外业实测数据与图上测量数据的对比检查，平面点共抽查360个，相对位置距离抽查226处，平面点位绝对中误差为0.83 m，相对中误差为0.21 m，小于限差1.2 m，平面误差满足《规范》要求。表5是部分检查数据。

通过实测测区中道路、水田、陡坎等地物的高程数据与DLG测量高程进行检查比较，高程点共检查364个，高程点的中误差为0.17 m小于限差0.2 m，高程误差满足《规范》要求。

5结论

(1)通过中开高速公路项目的生产实例可以看出:机载雷达扫描技术为用户提供了高密度的原始点云数据，只要将点云数据进行精细化处理和分类，就可以得到高精度的DEM，基于DEM和数码影像可以制作单幅正射影像DOM，在DOM中直接测绘地物、地貌，利用分类后的点云来修改地物的投影差。精度统计说明，这种方法能够满足公路1∶2 000地形图的规范要求。

(2)利用Lidar数据和正射影像制作线划图不需要布设像控点和建立立体像对，影像清晰容易判别，不需要量测高程注记点，测绘等高线，自动化程度较高，可以提高效率，缩短作业周期[6]。

(3)应该承认，LIDAR技术虽可以得到高精度DEM和高程点，地形图的平面精度还是比立体量测要低，因为地物的投影差改正精度与点云的密度有关，点密度大，平面精度就高，地物的中心位置、建筑物的四角和边缘不可能全部都有点云数据，所以只能根据点云的位置和形状来修正大部分投影差。

(4)地面点和等高线的精度与Lidar航摄质量有关，减少了人工判别的误差，高精度的DEM直接可以应用于工程设计的定测阶段，可以制作设计专业需要的横纵断面图，减少外业测量人员的工作。

参考文献

[1]JTG C10—2007公路勘测规范[S]

[2]JTG/T C10—2007公路勘测细则[S]

[3]CH/T 8023—2011机载激光雷达数据处理技术规范[S]

[4]李勇，黄金浪.利用LIDAR数据测制城市大比例尺地形图的研究与实践[J].城市勘测，2010(2)

[5]韩文泉，储征伟，黄金浪.利用LiDAR技术生产数字线划图技术路线分析[J].测绘通报，2007(5)

[6]周哲.基于LIDAR数据的DLG生产与质量控制技术研究[D].成都：西南交通大学,2012

[7]张丽，周琦.结合LIDAR和RCD相机的1∶2 000地形图生产探讨[J].铁道勘察,2012(6)

中图分类号：P225.1； P231.5