机载激光雷达技术在大比例尺地形测绘中应用研究

陈则刚，刘 帅，胡鸿毅

（湖南中核建设工程有限公司，湖南 长沙 410119）

地形测量中随着我们对空间数据信息的精准度要求越来越高。传统的摄影测量技术已经无法满足地形测量实际需求，在此背景下机载激光雷达摄影技术应运而生，该项技术的应用极大提高了空间数据的获取率，测绘工作效率得到了提升。机载激光雷达技术的发展与应用为区域空间地理信息准确获取提供了新的技术手段。传统测量技术只能获取单一数据，而采用新的测绘技术可连续获得地形测量数据，提升了测绘数据获取速度及精度，例如地形数字模型、测量物体的三维坐标，结合数码影像技术，可将获取的数据按需求进行分类，并制作出正射影像图、纵横断面图，在摄影测量与遥感领域及工程测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。

1 机载激光雷达技术原理

机 载LiDAR(Light Laser Detection and Ranging) 是激光探测及测距系统的简称。机载激光雷达(Light Detection And Ranging,LIDAR)是将激光用于回波测距和定向,并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术,是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物,是遥感测量领域的一门新兴技术。它集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统（激光扫描仪）利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。所设计的机载激光雷达是一个具备长距离、高速度的测量设备，此设备的内部运行系统主要是由高分辨率数码照相机、激光测高仪、IMU、定位装置构成，为实现复杂地形区的同步测量。将获取的测量数据输入到数据计算软件中，得到高密度激光点云数值，以确保所得的数据源是精准的。这种测量技术与遥感测量数据相比测量覆盖范围更广，属于一种特殊的数据获取方式。

在测高作业中合理采用机载LIDAR 系统，能够实现不同航高精准测量作业，测量精度误差控制在0.5m 以内，测量高程范围在5cm～30cm 之间，机载激光雷达测量地面分辨率达到最高级。因此可以得出机载雷达LIDAR 系统实现了测量数据定位，这一技术上的突破能够为工程地理信息测绘工作提供了精准的信息，有效提高了测量工作效率。

2 激光雷达技术优势

2.1 无需地面控制点，直接获取地理参考坐标

在使用过程中，依托于GNSS+IMU 的组合定位传感系统，直接获取到地面数据的绝对坐标，无需地面控制点，相比可见光成像系统，避免了刺点的繁冗工作，极大地提升了作业效率，简化作业难度，提升外业效率。

2.2 精度高，满足大比例尺测图规范要求

经过大量的测试和用户实际使用，机载激光雷达系统获取的点云数据与实际RTK 测量的数据及测图，偏差的绝对精度最高可达5cm 以内，满足1:500 测图需求。针对更高精度项目需求，可通过控制纠正的方法来进一步提高。

2.3 多平台，多种载体解决复杂地形测量

激光雷达系统可搭载到无人机、汽车、电动车、背包、轮船等多种载体，实现一机多用，不受空域禁飞影响，且不同平台数据可以无缝叠加，从而保证数据的完整性。

针对植被覆盖不密，面积较大的区域，可采用无人机机载进行快速高效率扫描，后处理过程中可借助CoProcess 软件自动分类出地面的，剔除植被，准确率达到99%以上；针对植被覆盖较密集的区域，但GPS 信号也比较好的区域，可将激光雷达系统放于车载（如有路）或背包（无路），进行地面数据采集，采集更快刚方便，此时一般需要进行精度纠正；针对植被完全覆盖的地形，采用SLAM 背包测量系统，解决无GPS 信号或GPS 信号遮挡的问题。

2.4 效率高，快速解决工期紧张的难题

无人机机载激光雷达系统一个架次40 分钟可飞0.4～0.5 平方公里面状地形/6 公里带状道路，作为车载模式时每天可采集100 公里以上带状数据。针对复杂地形，采用“无人机+车载+背包”多种方式融合的测量手段，可以极大地提高效率；并且激光扫描是一种无须外界光照条件的测量手段，在夜间也能进行测量，“日夜兼程”，确保工期紧张的情况下按时完成任务。某一地区的地籍测量面积公约102356 m2。

表1 应用不同测量手段进行地形测量的对比结果

3 机载雷达在大比例尺地形图作业流程

3.1 实施方案

项目实施方案分为以下几个过程：

现场踏勘→线路规划→基站架设→设备安装→数据采集→结束采集→数据预处理→数据后处理→项目总结。

图1 实施方案

3.2 作业流程

3.2.1 现场踏勘

通过现场踏勘，了解整个测区的情况，需要了解的内容有测区范围、成果需求、地形状况、天气状况、电力线路走向、杆塔分布等情况，从而为线路规划准备提供依据。

3.2.2 线路规划

根据单位要求进行飞行线路的规划，选择基站架设位置，安排好飞手、地面站操控人员、基站架设人员、配合人员等，并且规划好每个人员的工作职责和工作范围。

图2 线路规划界面

3.2.3 基站架设

使用华测I70多星座GNSS系统作为基站，架设与测区附近，整平对中后量取仪器高，然后开机，将设备切换为静态测量模式，设置采样频率为5HZ。基站静态数据采集时间需要长于机载雷达工作时间，或者至少与其同步，保证机载雷达自身的静态精度。

3.2.4 设备安装

先安装无人机，展开机臂、固定卡扣，然后将雷达设备安装与云台上，再然后安放电池，最后再接通电源开机。一般新到一处地方，先要进行无挂载飞行测试，确认系统稳定后才开始正常的挂载飞行，以保障飞行安全。

3.2.5 数据采集

设备开机后打开手持端采集软件，设置好参数，点击开始采集按钮，设备即进入采集状态，通过软件界面可实时远程查看各传感器状态是否正常，可查看数据是否正常记录。

此时由飞控人员操作无人机即可。飞行方式有自动和手动两种，一般平坦地区采用自动方式，按照既定的规划线路自动飞行；如果是山区，地区起伏较大，一般使用人工手控方式进行飞行，并且尽量在目测范围之内，以防止撞山。

3.2.6 数据处理

（1）数据预处理：使用GNSS/INS 处理软件，将GNSS 数据、IMU 数据导入软件中进行解算，生成高精度的轨迹数据，通过软件提供窗口判断轨迹质量。

查看位置精度曲线图，可以看到解算出的轨迹精度很高，在2cm 以内。

（2）生成点云：采用自主研发的激光点云处理软件，该软件采用一键操作即可实现一键解析，最终得到LAS 格式激光点云，同时也对影像进行同步处理。

3.3 精度验证

使用RTK 对地面的道路线、水井盖、台阶等进行测量点，共测20 个点，通过将点云提取的数据与RTK 测量的控制点数据比对，进行精度验证。平面坐标对比信息及偏差统计见下。

通过对比分析，本次测试平面坐标中误差为4.6cm。

使用RTK 联测水准点，再结合RTK 自主打点，共31 个点进行高程对比。在点云数据中找到对应点位，提取高程值进行对比。

对比成果如下表所示。

通过对比分析，本次测试高程中误差4.2cm。

4 结语

通过上述案例可以看出，采用机载激光雷达技术可以满足大比例尺地形测绘精度要求，在满足精度的基础上，激光雷达技术完成影像数据快速获取，与传统的航空摄影测量相比本文所用测量技术可广泛采集地表数据，此种技术是继GPS 测量技术之后又一项技术革新，是高精度逆向三维建模及重构技术的革命,是进行大区域空间探测的利器,是数字中国及各行业数字化的必由之路,将对电网、水利、交通、规划、国土、矿山、海洋、气象、农业、林业、古迹保护等各个领域产生深远影响。