基于机载LiDAR建立沈阳市数字高程模型

付妍

（沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁沈阳 110004）

作为城市重要的空间基础数据，数字地面模型应用非常广泛，测绘部门用于绘制地形图、坡度坡向图、正射影像图和景观图，水利、电力、铁路等建设中用于各种线路设计及各种工程面积、体积、坡度计算等[1,2,3]。

传统方式下数字地面模型是通过航空摄影、卫星遥感等立体方式进行提取产生。受限于技术流程等原因，生成的数字地面模型精细度往往不是很高。近年来随着机载LiDAR（激光雷达）技术的不断发展，基于LiDAR方式构建城市级高精度的数字地面模型越发成熟。研究基于机载LiDAR方式的数字地面模型生产流程，将是未来城市时空信息快速采集与更新的趋势。

一、技术流程

机载LiDAR数据生产的技术流程如图1。

图1 机载LIDAR数据生产技术流程图

二、技术优势

机载LiDAR作为数字高程模型的重要生产手段具有如下的技术优势。

1.直接化

机载LiDAR采用空基平台直接通过下射激光方式获取激光回波，再通过软件进行数字地面高程的构建，相比于传统地形图提取及摄影测量方式通过二次加工生成更直接（图2）。

图2 机载LIDAR数据采集示意图

2.低工时

由于搭载了高精度的GPS/IMU设备，经过后差分处理原始激光点云即可达到0.1~0.2米的高程精度，后期只需少数地面控制点即可获取更高精度的地形测量成果。传统数码航空相机受限于技术机制需要实测较多数量的像控点，野外测量工作量大[4]。

3.高精度

激光雷达通过主动测量，直接获取地物表面高精度三维坐标，不受山体、建筑物的阴影的影响，单纯数码航空摄影在阴影区域判读困难，立体测量精度低。激光雷达的多次回波能直接获取地表高程，对植被具有较好的穿透性，可以基于回波数据对树木高度、数量等林业参数做分析[5]，而植被覆盖问题一直是数码航空摄影不能解决的问题。

4.全天候

激光雷达对天气要求较宽松，不受太阳高度角影响，薄雾等低能见度天气不影响激光雷达数据获取，但影响数码航空摄影的影像质量[6]。如果只是单纯获取激光点云数据，可在清晨起飞进行数据采集，甚至夜航。

三、实际案例

1.项目简介

本次沈阳市高精度数字地面高程模型生产项目目标精度为4点/平方米，采用机载LiDAR数据采集方式，自2019年9月至12月，完成了航空飞行、资料整理、DEM制作、成果质检等全部过程。

2.数据采集

本次采用RIEGL VQ-1560i激光扫描仪，集成飞行管理系统、POS系统，采用全波形处理技术提供卓越的多重目标探测和多波束收发（MTA，最多可达20次）功能，使得在一次飞行作业中即使遇到高差变化很大的地形也无需调整飞行高度，激光发射频率高达2MHz。

为方便讨论，记tA (x)为tx ，记fA (x)为fx， 有tx +fx≤1。运用Vague进行评价的具体步骤为：

载体采用塞斯纳208飞机，采用全自动驾驶仪保证飞行质量。起降阶段可以关闭航测窗口，对相机起到保护作用。

本次采集区域为沈阳市全市域1.3万平方千米，总计飞行32天15架次。使用沈阳市卫星导航定位基准站网（SYCORS）提供的四星多频差分位置服务实现机载设备定位以及提供SYCORS原始基准站1秒采样的静态数据用于后处理。

3.数据处理

本次数据处理重点针对点云滤波和人工分类进行参数调优。

（1）提取地面点云

参考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像，基于MicroStation+Terrasolid软件，将分类到缺省层的所有点通过自动宏命令，在地面层分离出地面点。考虑到沈阳市摄区地势平坦，耕地面积所占比例很大，经过试验，进行自动宏命令处理提取地面点时进行如下参数设置（图3）：建筑物最大边长为60米，地形角不大于88°，迭代角度不大于6°，迭代距离不大于1.4米。由于摄区覆盖还涉及部分丘陵区域，使用一种宏命令无法提取所有地面点，本项目还使用了人工滤波及其它宏命令进一步提取地面点数据，保证了分类的准确性。

图3 提取参数设置

（2）去除异常高程点

点云分类不完全或不正确会导致地形高程的陡升或陡降。本次利用去除高程异常点算法，将导致地形陡升的激光点从地面点去除，导致地形陡降的激光点分类为地面点，从而保证地面的完整连续性（图4）。同时，还基于反射强度、回波次数、地物形状算法或组合算法，对激光点云数据进行了自动分类。

图4 根据不同类别提取地面点

参考不同期0.2~0.5米分辨率的正射影像进行人工编辑分类，主要包括对高程突变的区域调整参数和算法重新进行小面积的精细分类。分类时重点考虑水系、居民地及设施、交通、植被和地貌等几个图层。

（4）高程转换

激光雷达获取的点云数据其高程基准为CGCS2000地心大地高程。为满足项目需求，通过沈阳市超高精度似大地水准面精化模型（2.5分间隔，1厘米内符合精度）直接加载将点云成果转换为1985国家高程基准。

4.质量检核

考虑到本项目使用刚性集成，高精度惯性导航系统，通过移动站和地面站差分达到厘米级定位精度，通过检查控制点已达到规范精度要求，本次把控制点全改成检查点。

为检查点云成果精度在摄区内布设6个精度验证区，每个精度验证区面积4平方千米，均位于航摄基准站较远的区域。1分区布设2个精度验证区，其中1个验证区位于与2分区接边区域、另一个位于北部参考站相对较少区域；2分区覆盖区域较小只需布设1个精度验证区，位于与3分区接边区域；3分区布设3个精度验证区，均位于摄区西南部参考站相对较少的区域。每个精度验证区内均匀采集25~30个检查点。

经检验，最终成果的点云密度达到7.25点/平方米，点云高程中误差为0.05米，均优于设计指标。项目成果经过了省级测绘产品质量监督检验站的检验，成果质量达到优级。

四、结语

生产实践证明机载LiDAR能够作为城市级大尺度下地面高程模型的高效、经济的数据采集方式。在未来，机载LiDAR硬件将向平台多样化、型号多样化发展，云计算的逐步推广将彻底解决数据量和数据处理速度的桎梏，LiDAR数据产品类型将更丰富，从而带来巨大经济效益。