机载LiDAR点云在大比例尺地形图生产中的应用研究

□ 吕爱美

（山东省国土测绘院，山东 济南 250102）

0.引言

传统航测技术是通过航空影像空三加密，建立立体模型后人工测取高程点、等高线，生成DEM，工序比较繁琐，工作量大，耗费大量的人工和时间。机载激光扫描技术(LiDAR)是20世纪80年代中期逐渐发展起来的一项高新技术,该技术通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面的三维点云信息,具有数据获取速度快、空间与时间分辨率高、动态探测范围大、主动性强等特点，广泛应用于大比例尺测图、公路建设、电力巡线等各个领域[1-2]。对于大范围的地形扫描，由于没有软件能够对非地形点剔除，容易造成数据缺失，其应用于地形图精细绘制还需要进行研究[3]。

1.技术路线与方法

机载LiDAR技术流程主要包括航空影像和点云数据同步获取、数据处理、基于点云的数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）制作，基于点云的高程点选取、等高线自动生成，等高线和高程点映射至立体模型、地物采集、外业补调、立体检查修改，全要素地形图生成。传统航测技术流程主要包括航空影像获取、空三加密、地物地貌采集、外业补调、立体检查修改、地形图生成。

机载LiDAR技术流程和传统航测比较的技术流程见图1。

图1 技术流程对比图

1.1 点云处理及DEM创建

LiDAR系统是利用机载激光雷达测距系统和GPS/IMU直接获取地面点的三维坐标，形成离散的、不规则的三维点云数据[4]。与传统航空摄影技术相比，机载LiDAR技术不受日照、天气影响，可全天候主动快速获取精准的高分辨率数字地面模型及地物的三维坐标，具有采集速度快、高程精度高、成图周期短等特点[5]。

LIDAR点云数据的处理主要分为预处理和后期处理两个部分。预处理包括轨迹线解算和点云与处理两个方面。轨迹线解算采用POSPac软件，将机载动态GPS数据、IMU姿态数据和地面基站静态GPS数据进行组合计算处理，从而提高动态GPS数据精度，并通过GPS与IMU的相互解算，将定位和测姿精度控制在测量误差允许范围内。根据SDCORS站点和地面基站分布及观测数据质量情况，数据处理模式选择多基站Smartbase或单基站紧密耦合算法。POS数据联合地面基站数据经前算、后算、精算和平滑处理，获得包含坐标位置与姿态信息的轨迹线文件和精度文件。

点云预处理采用LMS软件，利用重叠航带之间、对飞构架航线之间以及航线与构架航线之间存在的同名面，通过构建同名面坐标误差方程，采用最小二乘原理获得系统检校参数。再由激光测距文件联合轨迹线文件，附加系统检校参数，进行解算生成三维点云数据。

后期处理主要是依托LAS++Pro和TerraSolid软件平台，对预处理点云数据进行细分类，生成DEM。由于本测区范围内多为丘陵和山地，植被覆盖稀疏，光线抵达地面率高，这就增加了LIDAR数据的准确率。部分数据受到地面高大植被、建筑物、移动物体等的影响，必然会有部分的噪声点。通过后期处理，将噪声点、非地面点进行分类，根据绝对高程或设定阈值来去除明显的异常点，或对部分失真区域补充，以得到高精度点云数据和数字高程模型DEM（如图2、图3所示）。

图2 点云处理前

图3 点云处理后

1.2 等高线自动生成

等高线是表达地形、地貌特征的主要内容，为解决目前地形图生成中地貌测绘问题，从点云数据中快速获取等高线是一种较好的途径[6]。

以选取的测区数据为例，在EPS的点云模块里，导入精准点云数据，选择适合本项目的等高距为1.0m或2.0m，输入计、首曲线编码、最佳的等高线生成参数3×3（山地），经过3次去抖动、平滑（参数可为0.8）、悬挂线头检查等处理，生成较为满意的本测区范围内的等高线。

设定面积基数，删除平整旱地、路面、居民院内的细少闭合曲线。且不可删除山头、凹地的闭合曲线。范围内会有部分曲线断开、悬挂等，需连接同高曲线，改至无拓扑错误。

1.3 DOM制作

数字正射影像图(DOM)是一种新的图种，它是可以量测的真实影像，其用途越来越广泛。目前，数字正射影像图已经成为测绘生产部门的一个重要产品[7]。在清华三维EPS的航天远景模块里，结合空三加密数据和数字影像，导入等高线数据。大比例尺正射影像在纹理清晰的区域易产生移位、变形，可适当采集道路、水系等主体框架定位。然后构TIN(三角立体控制网),生成分辨率为0.2m的单片数字正射影像DOM。DOM生产包括单片正射纠正、匀光匀色、镶嵌线自动匹配、镶嵌线编辑和成图输出[8]。其余地物如：居民地、梯田等则会准确清晰，这为后续的高程点位提取，提供了前期的基础图件。

1.4 立体地物地貌采集

传统航测的地物、地貌采集是在本步骤开始的。采用常规的立体测图软件JX4G或VirTuoZo，由于受到航高、航片比例尺、空三加密、人人各异的立体观测视差等几个环节，高程点的采集精度大大降低，且每个高程点均需人工看准立体逐个采集。手绘等高线则需熟练作业员配合X,Y方向的手轮时刻切准地面，逐条绘出。人力耗费巨大，效率低下。

遵循信息化的前提下，在保持地物等空间对象的整体性、完整性基础上[9-11]，按照地物概括原则，合理采集地物。为了节省时间和外业的工作量，本类图一般采用先内后外的模式。新的技术流程是在EPS的航天远景模块，利用空三数据，建立立体模型，采集地物，叠加DOM放图后，外业再适当补充调绘。

按照利于设计，服务于施工，提前预知工程成本的原则，地物的采集分为规划道路中心线两侧各500m以内和以外，有两种不同的要求。即500m以内，地物需详细表示。其精细程度应与1∶500地形图相当。500m以外，地物可适当综合表示。

1.4.1 500m范围内房屋应单栋绘出。梯田坎高差在1m左右的须逐条表示。水井、池塘、河流等水系准确定位水涯线。

1.4.2 为便于施工，通往施工现场的道路应详细绘出。宽度在2.5m左右道路，要依比例尺表示，依照路面铺设材料，分出乡村路、大车路、等外公路、等级公路等级别。

1.4.3 施工范围内的经济林、乔木林须绘出明确的边界。坟地用地类界表示边界，内部标注坟头个数。这非常重要。

总之，按照《项目技术设计书》的要求，内业判读的地物数据几乎占测区总地物数据的90%，个别在立体下难以判读的地物，可待外业调绘。

1.5 高精度高程点选取

地形图上的高程点即标有高程数值的信息点，通常与等高线配合表达地貌特征的高程信息[12]。公路项目，设计方最为关心的是现实的可行性和工期的预知性。因为是山地，施工时会有大量的土方工程，这需要我们提供便于土方计算的精确图形。所以高程点的选择便成为重点之一。其步骤是：在EPS点云处理模块里，导入编辑后的等高线和DOM，叠加上处理后的高精度点云数据,利用“提取高程点”功能，人工提取符合公路项目地形要求的高程注记点。

1.5.1 首先关乎土方量大的山丘、沟壑，即山顶、鞍部、凹地须有高程点和详细的等高线表示。凹地的高程点位在最低处，且最低一条等高线上应表示向内的示坡线。

1.5.2 梯田的坎上、坎下均要有高程点，长条且有高差变化的梯田，要在梯田的两端适当选点（如图4所示），这便于设计出准确的土方量。

1.5.3 参照DOM，在路交叉口处一定要有高程点，（如图5所示）。沿上山道路200m左右，均匀布高程点。

1.5.4 双线水系上的水涯线、桥梁、水井等，提取高程点。由于桥梁为架空地物，此处的点云数据有可能已被处理掉，在桥附近选点，极有可能为水涯线高程点，因此需要从桥两头路面分别提取高程点，等倾斜求出中间桥面高程点。

1.5.5 水库的堤坝、溢洪道、水涯线须提取高程点。且三者的高程依次降低，高差在2m至5m不等。

1.5.7有选择加注计曲线的标高列。高程点除上述的关键部位外，余下的要“品”字形分布选取，达到每个方里网10～15个，以满足设计需求。

图4 梯田坎高程点的选取（等高线无需打断）

图5 道路交叉口高程点选取（等高线应连续）

2.数据内容的必要补充

一幅大比例尺地形图包括地面详细的地物和地貌。地物部分，内业并不能完整解释清楚，还需以下步骤:

2.1 外业补调

测绘行业一贯主张“内业定位，外业定性”。即内业在立体模型下能够准确定位地物的坐标，性质要外业核实。外业补调就是对内业无法判别的地物如被高大树木遮盖的房屋、电杆等进行实地勘察，然后一一确定。本步骤，新旧技术路线均不可缺。经过外业补调，内业的遗漏均会被补充，地物的性质被注明，一套完整的地物数据便形成。

2.2 检查修改

自动生成的等高线经过编辑和人工提取高程点以后，就形成了测区的基本地貌数据。因为下面几个因素的影响，这个数据局部是存在问题的。

2.2.1 在植被覆盖密度高的区域，扫描激光穿透地面受到阻碍，这样的区域几乎没有自然地表的信息。

2.2.2 点云数据分布不均匀。由于扫描方式本身的缺陷，造成数据分布并不均匀。

2.2.3 飞机飞行时由于受到气流、飞行高度、地形、局部云彩的影响使个别区域可能无扫描光斑，导致存在部分盲区或失真区域。

（1）改革法律课程体系，完善法律课程设置。万丽红等人于2001年提出了将卫生法规与护理法纳入护理教学体系的构想[4]。因此，建议学校在护生即将进入临床科室实习之前，将国家医疗护理法律法规纳入课程学习。让护生明确护理工作中潜在的法律问题，如侵权行为、疏忽大意与渎职、规范的护理文件记录等，使其了解护理执业过程中的相关法律规定。

由于以上原因，地貌数据必须映射至模型进行立体检查和修改。应用清华三维EPS的航天远景模块，在地物矢量中导入地貌数据，查看地物、地貌的套合情况。

（1）自动生成的等高线在路面上、坎上坎下小幅度迂回的情况，特别是单线路与等高线（如图6所示）。考虑到在立体采集坎时人工视差，建议此种情况可不做处理。

（2）等高线与水系的套合，在山上的沟壑中，会套合很好。在平地的池塘边，会出现等高线完全落水、局部落水两种情况。完全落水的应删除处理，局部落水可利用水面压盖。在堤坝上、居民地院内、立交桥处的闭合等高线应删除。

图6 等高线穿坎

3.精度分析

依据测绘标准CH/T9008.1—2010，我们这两条公路的作业区属山地类型，比例尺为1∶2000，等高距为2m，等高线插求点高程中误差按1.5m执行，粗差点按照2倍中误差执行。

平邑、五莲等公路地形测量工程项目面积约200Km2，外业实测201个点，等高线插求点与实测点比对，计算差值；此项目无粗差点，最大误差为-1.5m，最小误差为 0m，按照公式：M=±SQRT（[△△]/N）,计算得到等高线中误差为±0.53m，符合规范要求。而在传统技术流程中，通过立体测量提取高程点，手绘等高线需要大量的人工和周期，精度一般。

4.结束语

综上所述，机载LiDAR点云数据广泛应用于大比例尺地形图生产是完全可行的、高效的。相对于传统生产技术，工序更加简化，自动化程度高，缩短了生产周期，尤其在山地、丘陵地区优势明显，这种方法能够节省巨大工作量，降低劳动强度，提高工作效率，数据精度更高，并且可以满足多种比例尺地形图的生产要求。

参考文献：

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