机载LiDAR系统在山区大比例尺地形图测绘中的应用研究

申秋羚 林毅

（海南水文地质工程地质勘察院，海南 海口 571100）

1 引言

随着我国经济社会发展转型，针对农村的一系列改革措施不断出台，由此，政府部门对现势大比例尺地形图的需求不断增大、要求越来越高，而这些地区大都位于我国的山区，给地形图测绘工作带来一定困难。传统的山区大比例尺地形图测绘主要依靠人工野外生产的方式[1]，由于山区地势高低起伏、沟壑悬崖峭壁多、植被茂密，导致GPS 信号容易被遮挡，不仅存在测量工期长、精度低、劳动强度大，而且还严重影响到作业人员的人身安全。

近年来，LiDAR 技术逐渐兴起，其具有高效率、高精度、可穿透植被等诸多优点[2]，其中，以机载LiDAR 系统为代表的先进技术已经显示出越来越大的应用潜力，完美解决了传统山区大比例尺地形图作业方式存在的问题。

2 机载LiDAR 系统

2.1 机载LiDAR 系统组成

机载LiDAR 是激光探测及测距系统的简称，它是将激光扫描系统、GPS 设备和INS 等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的数字化精确三维模型信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。机载激光雷达系统主要由激光扫描系统（激光测距单元和光学机械扫描单元）、定向定位系统POS（动态差分GPS 和惯性导航系统INS）以及GPS 地面基站组成，如图1 所示。

图1 机载激光雷达系统组层

2.2 机载LiDAR 系统原理

机载LiDAR 对地观测的基本原理是已知点加矢量的方法求取未知点坐标，假定激光扫描仪的投影中心O的三维坐标（Xo,Yo,Zo）由GPS 确定；姿态测量装置提供观测平台法线的仰俯角Φ、侧滚角ω、偏航角κ及观测方向和法线的夹角θ,由此组成的矢量矩阵可算出方向余弦,矢量的模S根据激光测距仪获取，则未知点Pi的坐标（Xi,Yi,Zi）即可由式（1）求得[3]。

3 项目实例

3.1 项目概况

某大比例尺地形图测绘项目位于海南省中部山区，测区内地势险峻，沟壑纵横，森林茂密，水流湍急，河谷遍布，巨石林立。山体表面多为危岩及崩塌堆积，海拔在500 ～1000m，最大高差500m，地面坡度在8 ～45 度，地形类别为山地。根据测区自然地理、气候和交通等情况，该测区作业困难级别为V 级。测区长约2km、宽约1.5km，由于地形地貌复杂，传统的人工外业数据采集难度系数高，测绘精度难以保证，本项目拟采用机载LiDAR 系统进行作业。

项目采用的设备为华测P580 无人机平台搭载AS-300HL 多平台激光雷达测量系统，该系统能够在复杂地形和危险测区情况下不直接接触危险目标，详细、快速地进行外业数据的采集，既能保证人员和设备的安全，又能保证成图的精度。利用机载LiDAR 系统采集约3km2目标区域内的激光点云和影像数据，通过对获取数据的后续处理得到该区域内l ∶500DLG、DEM、DOM 产品，该项目的作业流程如图2 所示。

图2 机载LiDAR系统作业流程

3.2 前期准备

前期准备阶段包括资料收集、测区踏勘、空域申请等[4]，通过测区资料收集，研究获取测区大体地形地貌特征，为航飞设计和机载扫描做好准备工作。

3.3 机载扫描

机载扫描采集内容包括：扫描方案设计、静态基站架设、采集过程监测等环节[5]。扫描方案设计包括飞行参数设计和飞行航线规划。飞行参数包括：无人机飞行高度、扫描航线带宽两个指标的设定，需要综合考虑激光扫描仪参数设置、测区房屋间距等要素的影响。航线规划主要是飞行时航线方向的确定，原则是：（1）满足建筑物扫描完整性的同时提高无人机的使用率，即飞行最短的时间获取更完整的点云数据；（2）保证航线整体相对较长且扫描方向与房屋方向时刻存在夹角，以便减少转弯以及获取房屋四面墙体。

在实际扫描作业中，还需在测区范围内架设一台静态GNSS 接收机，同步接收和记录卫星信号，用于后期数据解算。外业点云采集的同时要进行采集监测，目的是为了准确记录扫描的工程文件信息，便于后期开展数据解算和内业测图工作。

3.4 点云数据解算和精度检核

数据解算方法主要包括三个部分：（1）差分GPS 处理；（2）轨迹文件解算；（3）点云数据输出[6]。差分GPS 处理和轨迹解算部分使用Inertial Explorer 软件进行处理，点云数据输出采用设备自带的激光解析软件进行处理。为了保证激光点云扫描数据精度，在扫描的同时，安排外业现场调查人员利用全站仪实测一批检查点。其中，检查点要分布均匀，用于平面精度检测的检查点以房角点为主，穿插部分屋檐点；用于高程精度检测的检查点要以硬质路面点为主。对于测区中的噪声点，需通过TerraSolid 软件逐块进行噪声点的剔除，反复调整相关参数剔除点云数据的明显噪声，以便开展DEM 生产。

3.5 DEM 生产

获取的点云数据，除了地面点还包括植被、建筑等非地面点数据，需要经过点云分类得到地面点。利用分类好的地面点成果数据，结合带有高程信息的特征线，就可以制作高精度的DEM 成果。由于通过点云数据生成得到的等高线曲线折点较多，不够平滑，为了进一步提高等高线的精度和美观程度，需要后期进行手工编辑修饰，编辑原则包括：平缓地区等高线走向的正确性、V 字形山脊山谷朝向的正确性等。基于DEM 成果生产的等高线如图3 所示。

图3 基于DEM成果生产的等高线

3.6 点云立体采编

除了采集等高线和高程点之外，还需要采集居民地、水系、交通、地貌、植被、管线等地物信息。本项目使用点云立体采编软件LiDAR Feature，直接在三维立体点云环境下，结合获取的正射影像数据并进行数字测图。点云环境下的地形立体采编如图4 所示。

图4 点云环境下的地形立体采编

3.7 外业调绘和内业编辑

数据内业采集完成后，需要进行外业调绘与补测，目的是对内业采集的所有要素进行定性，补测、补调隐蔽地物、新增地物和采集遗漏的地物，并纠正内业采集错误的地物，进行全面的实地检查、补测、地理名称调查注记、屋檐改正等工作，要求做到图面和实地景观保持一致，保证其数学精度。地形图内业编辑按外业调绘的内容，用人工干预方式，对原立体采集初编的矢量数据图的内容作编辑修改。以统一的线型库、符号库、字库和要素代码分层标准进行编辑。

3.8 点云数据精度分析

为保证激光点云数据的精度，在扫描的同时，安排外业人员利用GNSS-RTK 实测一批检查点，用于平面精度检测的检查点以房角点为主，穿插部分屋檐点；用于高程精度检测的检查点要以硬质路面点为主。本项目以中误差作为精度指标对机载LiDAR 点云数据的精度进行分析评价，在测区范围内均匀采集165 个点作为检查点，经检定，测区点云数据平面中误差为±4.63cm，高程中误差为±6.49cm，满足有关规范的精度要求，部分点云精度统计数据如表1 所示。

表1 点云精度统计

3.9 效率统计分析

任务完成后，项目组将传统大比例尺地形图测绘方法与机载LiDAR 系统的生产效率进行了测算比较：在外业效率方面，利用GPS-RTK 和全站仪测图1km2需要2 人，用时4 天左右，而机载LiDAR 系统只需1 人不足1 小时就能完成外业数据采集。在内业效率方面，传统方法需要对数据进行展点，再跟草图进行对比，最后绘制出地形图，而机载LiDAR 系统可以在导出数据后直接在点云上进行描绘，再经过简单处理就可直接出地形图。经比较，内业出图效率比传统作图高出4 倍以上。总体来看，机载LiDAR 系统和传统测绘方法相比，生产效率至少提高8 倍以上。

4 结束语

机载LiDAR 系统在山区大比例尺地形图测绘中取得了良好的应用效果，通过应用，总结如下：

（1）在植被茂密的山区，人工野外实测存在信号失锁的情况，而机载LiDAR 系统因为GPS 信号不被植被遮挡，因而不会出现由于信号失锁带来的精度的降低。与地面全野外地形测绘方式相比，机载LiDAR 系统是通过飞机在空中采集数据，遮挡少、信号强、点云精度高，不存在测量盲区，作业更加机动灵活。

（2）山区地形复杂，存在人工难以到达的复杂地形或者危险测区，机载LiDAR 系统能够详细、快速地进行外业数据采集，既能保证人员和设备安全，又能保证成图精度。利用机载LiDAR 系统获取数字高程模型（DEM）、数字地面模型（DSM ）更为方便、高效，具有作业成本低、数据精度高、利于成本控制等优点。 （3）与低空航空摄影相比，机载LiDAR 系统是一个主动系统，不受阴影与太阳高度角的影响，受天气影响较小，有效作业时间长。机载LiDAR 系统将山区地形图测绘工作从“外”搬到“内”，大大减少了外业测图人员的工作量，提高了工作效率。

随着LiDAR 设备的越来越小型化，其搭载的载体将会更加丰富，基于多平台（无人机载、车载、手持）的LiDAR 系统都已面世，相信随着国家新型基础测绘的启动，LiDAR 系统在全要素地形图生产中必将具有广阔的应用前景。