机载LiDAR技术在柬埔寨1∶2000地形图测量中的应用

廉铁辉,徐寅生

(1.天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

文章编号：1006—2610(2015)04—0023—04

机载LiDAR技术在柬埔寨1∶2000地形图测量中的应用

廉铁辉1,徐寅生2

(1.天津市引滦工程于桥水库管理处，天津 301900；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

结合柬埔寨项目1∶2 000地形图测绘项目，介绍机载激光雷达技术在植被茂盛的密林地区测绘中的应用，重点介绍了项目实施中技术方案的制定和数据后处理的过程。试验表明，机载激光雷达技术可以解决大面积森林覆盖地区、沙漠、沼泽、草原等困难地区及其他无法到达或危险区域的测绘工作，能够大量减少人工成本并获取丰富的地形测量成果，成果精度满足相关规范要求。

LiDAR；点云处理；高程拟合

0 前 言

柬埔寨1∶2 000地形图测量项目位于东南亚几何中心——柬埔寨王国国公省西南部基里沙果县海滨，接壤西哈努克市，总占地面积约450 km2，测区为丘陵地带，没有公路相通，仅有国公省至西哈努克市海域快艇和货运船只往返，途经西部某岛与海岸线有渡船相通，交通不便、植被茂密[1]。

激光雷达测量(LiDAR)作为一种快速获取空间数据的新手段，在地球空间信息科学领域得到了广泛应用。LiDAR是一种主动式对地观测系统,它集成了GPS、惯性导航、激光测距等先进技术,具有控制测量依赖性少、受天气影响小、自动化程度高、成图周期短等特点。机载LiDAR作为一种新型的对地观测技术,由于具有主动性、受天气影响小、不受阴影影响以及对地物间缝隙具有一定的穿透性等优点,备受应用者和研究者的广泛关注。目前,机载UDAR已逐渐应用于三维城市建模、大范围高精度数字地面模型的获取、高精度真正射影像的制作、森林资源的管理和评估、管线勘察等多个领域[2]。

1 测量方案比选

(1) 常规的地形图测量需要人工测出各特征点，测区植被比较发育发达，视线遮挡率高达90%，并且测区内的一些红树林是柬埔寨国家保护树种，不能砍伐，这样工期和精度均无法保证。

(2) 由于测区植被覆盖较密，交通不便，传统摄影测量的像控点布设困难，相片联测困难，并且受限于人工立体采集的精度，高程精度很难保证。

(3) 机载激光雷达系统是安装在飞机上的激光雷达系统，是一种将激光测量距离、全球定位系统、和惯性导航系统3种技术集成于一体的系统[3]，概括起来机载激光雷达系统的优势主要体现在以下几个方面：

1) 航空摄影测量和传统测量高程地貌点相结合的方式，快速获取数据，外业工作量小，可以解决测区内部分沼泽区和红树林区的地形图测量。

2) 数据精度高、密度高，测量范围大，测量效率高。系统采集的激光点云数据非常密集，精度也高，通常激光点距离1～2 m，平面绝对精度0.3 m，高程绝对精度0.2 m。

3) 穿透植被能力强。由于激光探测具有多次回波的特性，能够有效克服植被的影响，可以更精确地探测地面真实地形地貌。

4) 数据处理效率高。从航飞数据获取到生成符合精度要求的点云数据成果，自动化程度高，一般无需人工干预，其生产DEM和DOM的时间要比传统摄影测量快4～5倍。

5) 成果运用丰富。系统配备有高清数码相机，在测量地面激光点坐标的同时，还能同时采集同一区域高分辨率影像数据。经过加工处理后，可以得到DEM、DOM、DSM等数据产品[4-5]。

2 项目实施总结

(1) 总体技术方案

机载激光雷达摄影测量工作主要分为3个阶段：首先做测区的基础资料收集、分析及空域申请工作；其次开展地面控制测量和机载激光雷达数据获取工作；最后进行雷达数据的后处理工作。具体的实施过程如图1所示。

(2) 设备的检校

设备在安装过程中存在安装误差，可以通过高精度检校手段有效剔除姿态误差，明显提高数据精度。检校区域布设了4条航线，2条低航高，2条高航高。检校区域选择在平坦且具有明显线状物的区域。

(3) 地面基站布设与观测

在飞行区域内，架设GPS固定基准站，用地面GPS固定基准站采集的数据与惯性导航系统内部的双频GPS接收机采集的数据进行差分测量，经数据处理获得连续的、更精确的传感器位置。本次收集了全球高程异常分布图，发现测区的高程异常相差不大，结合高程异常和IMU漂移精度不大于0.002 7 (°)/s 的技术要求，GPS基站与机载GPS距离不能大于15 km。根据这一要求，在航测区域内平均每30 km距离布设1台地面GPS基站[6-7]。

图1 机载激光雷达摄影测量工作步骤图

(4) 航空摄影

项目的航飞飞机采用了ECUREUIL AS350直升飞机,机载激光雷达采用Leica ALS50Ⅱ三维激光扫描系统实施，其中相机为Leica RCD105。本次作业高度为750 m，航线总条数106条，总长度约1 135 km，像元6.8 μm。

(5) 机载LiDAR数据预处理

1) 机载LiDAR接收机质量检测

对航飞获取的所有机载雷达数据进行完整性检查和评估，检测影像色彩、点云密度噪音情况、航线覆盖范围等各项指标。

2) 机载LiDAR数据检校

利用外业GPS联测的控制点和检查点数据对点云数据的航带拼接和高程精度进行检测和改正[8]。

(6) 机载LiDAR数据后处理

1) 点云分类处理

点云分类处理包括点云自动分类和手工分类。点云自动分类是选用合适的滤波算法将点云中的低点、空中点等噪声点剔除，并分类出地表点，然后针对自动处理无法分类的部分再结合软件生成的可实时编辑的模型进行精细化处理，分类后的地表点数据就可以用来制作DEM成果。

2) 使用POS数据采用无控方式制作DOM

先利用经过相机检校后的航摄影像数据及影像外方位元素数据，并结合点云对航摄像片进行无控的空三加密；然后利用点云数据进行逐块数字微分纠正；最后通过影像镶嵌、调色、裁切后生成DOM。

3) 等高线与高程点制作

等高线是根据分类好的地表点云数据提取等高线关键点后由软件自动生成，然后再结合DOM和点云模型渲染图进行适当的编辑。沟谷、坎、水系边缘等激光无法穿透或地形变化区域需重点检查。

高程点的制作需根据实际地面分布特征选取合适的点位，利用DEM成果对其自动赋高程值，并结合DLG要素的相互关系等进行适当的编辑。

4) 精度指标：① Lidar数据(地面点)精度指标。经过质量检测，DOM平面中误差优于±0.8 m，DEM高程精度优于±0.25 m，高程中误差平原地区0.25 m、丘陵地0.35 m，符合现行规范对DOM和DEM中误差的精度要求；② 数码影像精度要求。地面分辨率达到18 cm，精度满足摄影测量国标[9-11]要求。

(7) 坐标转换

机载激光雷达直接得到的原始坐标为WGS84坐标系坐标，而生产项目一般都是平面直角坐标系坐标。这样就必须进行坐标系转换，而转换结果直接决定了生产成果的精度和可靠性。

1) 平面坐标转换

本项目成果要求为GRS80椭球UTM投影的WGS84平面坐标，而机载雷达通过GPS技术获取的原始坐标为WGS84大地坐标，需要通过3个以上地面公共控制点进行坐标转换。

2) 高程转换

本项目成果高程系统要求为当地国家高程基准，而机载激光雷达通过GPS技术获取三维坐标中的高程为大地高，起算点为椭球面。两者基准存在高程异常，不能直接应用，需要进行坐标转换[12]。

在测区布设了水准测量路线，联测了测区内的所有GPS点，根据选择的2套坐标转换点，建立布尔莎七参数坐标转换公式[13]，反算出坐标转换参数，然后利用EGM2008高程模型和实地外业测量高程点的方案进行了验证，精度完全满足规范要求。

(8) 精度统计

在项目实施过程中，按照规范要求，在野外测量高程点对成图精度进行了检查，经过内外业数据进行对比统计，成图精度完全满足1∶2 000航空摄影测量成图精度，部分统计数据如表1、2所示。

表1 地形图抽查检测平面检查精度统计表

3 结 语

本项目采用机载激光雷达技术顺利完成了项目的测绘工作，并形成了DEM、DOM、DLG等一系列产品。经过外业的实际检测，项目的精度完全满足规范(采用中国相关规范)要求。机载激光雷达技术可以解决大面积森林覆盖地区、沙漠、沼泽、草原等困难地区及其他无法到达或危险区域的测绘工作，能够大量减少人工成本并获取丰富的地形测量成果。在综合吸取了多个项目的相关经验和积极探索创新下，形成了一套从航飞设计、数据加工和成果应用的完整流程，并取得了良好的效果。

表2 地形图抽查检测图幅等高线中误差统计表

[1] 沙永恒.柬埔寨林业面面观[J].中国林业, 2009, (9)：26-27.

[2] 姚春静.机载LiDAR点云数据与遥感影像配准的方法研究[D].武汉：武汉大学, 2010.

[3] 徐祖建,王滋政,阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社,2009：2-31.

[4] 戴永江.激光雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2002.

[5] 张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2007.

[6] 庞勇,李增元,陈尔学，等.激光雷达技术及其在林业上的应用[J].林业科学, 2005,41(3):129-136.

[7] 刘明波,高建军,周忠锋.西汉水流域规划中的GPS数据处理[J].西北水电, 2009, (4):15-16.

[8] 刘凯,彭方辉.TBC和COSA_GPS GNSS 数据处理软件在延安引黄工程中的应用[J].西北水电,2015，(3)：92-96.

[9] CH/T 9008.3-2010,基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字正射影像图[S].北京：测绘出版社，2010.

[10] CH/T 9008.2-2010,基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字高程模型[S].北京：测绘出版社，2010.

[11] CH/Z 3005-2010,低空数字航空摄影规范[S].北京：测绘出版社，2010.

[12] 简程航. GPS高程拟合方法研究及其工程应用[D].北京：中国地质大学(北京), 2014.

[13] 张敬伟. 布尔莎模型坐标转换适用范围及精度分析[J].测绘与空间地理信息, 2013, (1):175-176.

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Application of Aircraft-carrying LiDAR Technology in Surveying of 1∶2000 Topographic Map

LIAN Tie-hui1, XU Yin-sheng2

(1.Tianjin Municipal Yuqiao Reservoir Management Center of Lian River Diversion Project, Tianjin 301900,China;2.China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222,China)

With practice of the surveying of 1∶2000 topographic map in Cambodia project, application of the aircraft-carrying laser radar technology in surveying in the region where vegetation is flourishing and dense. Preparation of the technical proposal and course of the post data processing in the project implementation are introduced especially. The tests prove that the aircraft-carrying laser radar technology can realize the surveying and mapping of the regions where forests cover in a large area, deserts, marshland and grass land, etc and it is difficult to reach and perform the surveying or the area where is dangerous, and it is impossible to survey. The technology can largely reduce manpower cost and obtain abundant topographic surveying results. The surveying precision satisfies the requirements of relevant specifications.Key words: LiDAR; dot cloud handling; elevation fitting

2015-02-10

廉铁辉(1976- )，男，天津市人，高级工程师，从事水文水资源利用研究.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.006