机载激光雷达在困难立地区大比例尺地形测绘中的应用研究

闫烨琛，席雪萍，于向吉，袁婷婷，高学飞，齐 超

（天津市地质工程勘测设计院有限公司，天津 300000）

近年来随着社会的发展及实际工作的需要，针对一些困难立地区开展大比例尺地形测绘工作日趋常态[1]，然而困难立地区往往是地形条件复杂，海拔跨度大，坡度陡峭，植被茂盛，针对该条件下的测绘任务致使传统测绘工作者棘手困扰[2]。然而随着社会的发展进步，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）与机载激光雷达设备及测量技术日趋发展完善[3-4]，测绘工作者将机载激光雷达技术引入测绘领域，该技术是一种主动式对地观测系统，激光雷达发出的激光脉冲可以穿透植被空隙测取地面信息[5]，能够通过非接触的手段获取高精度地面数字高程模型（DEM），为困难立地区大比例尺（1∶500）地形测绘提供了可行技术支撑[6]。与传统测绘技术相比，其所表现出来的作业高效、操作便捷、精细准确、适用范围广及航测周期短等特点，致使其在地形环境复杂区域地形测绘领域应用优势明显[7-8]。

本文选取天津市蓟州区一处困难立地区作为研究对象，研究探讨机载激光雷达测量技术应用到地形条件复杂的困难立地区地形测绘及数字高程模型生产的可行性，并通过研究案例进行检验，验证研究成果的可靠性，对困难立地区大比例尺地形测绘具有重要的理论和现实意义。

1 机载激光雷达测量

1.1 机载激光雷达航测——无人机、镜头型号及其参数（图1、图2）

图1 经纬M300 RTK

图2 禅思L1（雷达镜头）

规格参数：经纬M300 RTK无人机集成DJITM先进的飞控系统、六向双目视觉+红外感知系统和FPV摄像头，兼容全向避障雷达，并兼并六向定位和避障，可适配多款DGC2.0接口的云台相机，多云台系统最多同时支撑3个独立云台，可满足不同领域的使用需求。飞行器内置RTK模块，可实现高精度准确定位。双电池系统提升飞行安全系数，空载时飞行时间约55 min。

禅思L1的尺寸为152 mm×110 mm×169 mm，重量为930±10 g，量程为450 m@80%，0 klx；190 m@10%，100 klx。点云数据率：单回波，最大240 000点/s；多回波，最大480 000点/s。系统精度（RMS 1σ）1的平面精度为10 cm@50 m；高程精度为5 cm@50 m。

1.2 机载激光雷达航测——外业航空测量

本次采用的是经纬M300 RTK无人机搭载禅思LI雷达镜头开展研究工作，主要包括研究区勘察、像控点布设及测量、航线规划及机载激光雷达系统测绘、室内数据处理分析等环节，具体工作流程如图3所示。

图3 机载激光雷达测量系统工作流程

1.2.1 像控点布设和测量

为满足本次研究的精度要求，研究区机载激光雷达航测前需布设地面像控点，地面像控点在布设过程中应注重控制点位标志清晰，易于辨识和测量。本次针对测区地面像控点采集采用时动态定位（Real-Time Kinematic，RTK）测量获取研究区像控点在国家2000大地坐标系（China Geodetic Coordinate System，CGCS2000）坐标。

1.2.2 外业航空摄影测量

本次研究区位于天津市蓟州区，测区面积为115 555 m2，通过前期收集资料及实地踏勘后，进行航线规划，飞行高度100 m，激光旁向重叠率40%，作业速度8 m/s，共4条航线，对测区进行了机载雷达测量，如图4所示。

图4 航线规划图

2 地形图制作

主要通过制作数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、等 高 线 及 数 字 正 射 影 像（Digital Orthophoto Map，DOM），将制作好的栅格数据及矢量数据通过编辑加工，最终制作满足研究要求的大比例尺地形图。

2.1 数字正射影像（DOM）制作

本次研究室内数据处理主要通过大疆智图（DJI Terra）软件进行数字正射影像（DOM）制作，具体操作流程：获取影像数据→添加影像→空三解算→刺控制点→二维地图→导出成果，如图5所示。

图5 数字正射影像（DOM）

2.2 DEM及等高线制作

数字高程模型（DEM）制作主要通过机载激光雷达获取的点云数据生成。其中机载激光雷达数据处理流程主要包括点云数据预处理及基于预处理后的点云数据深度处理分析，如图6所示。

图6 点云数据

本次研究主要利用大疆智图（DJI Terra）软件进行点云数据预处理，对机载激光雷达航摄获取的点云数据进行解算，并进行各航带数据的拼接工作；将预处理后的点云数据加载到LiDAR360 UAV软件中进行处理，其中包括点云重采样、点云去除噪点、点云分类及点云平滑等，点云去噪点是将点云中的偏离点进行剔除，减小数字高程模型（DEM）制作过程中因噪点产生的影响。其次对点云中的地面点和非地面点进行自动分类，完成点云分类工作，点云分类流程如图7所示。分类后的地面点云点按照成图比例尺要求使用LiDAR360 UAV软件地形处理工具下的基于点云获取DEM模型及等高线，如图8、图9所示。

图7 点云分类流程图

图8 数字高程模型（DEM）

图9 等高线

2.3 地形图编绘

在AutoCAD 2016平台上使用CASS10.1地形图编绘功能，调用绘图数据命令，将前期获取的测区等高线数据加载到图上，同时加载测区数字正射影像数据并进行地物平面矢量绘制。根据制图规范，利用成图系统将等高线图与地物矢量图拼接，对图内各要素及地物符号严格按图式规定进行编辑整理，生成完整符合测区要求的地形图。

3 结束语

本次研究中使用的机载激光雷达设备航摄获取的点云数据，具有高精度的三维空间数据信息，通过对点云数据的处理与应用，为制作高精度DEM提供了一种新的技术手段，获取了研究区大比例尺（1∶500）地形图，成果满足研究要求。极大程度提高工作效率，降低困难立地条件下测绘工作人员的安全隐患，为机载激光雷达技术在大比例尺测绘工作中的应用做技术支撑，同时为传统测量技术与新技术新方法的结合创新等工作提供科学依据。