基于LiDAR的3D產(chǎn)品制作方法及其精度評定

何 靜，何忠煥

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

LiDAR技術(shù)已成為大比例尺測繪產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中一項重要技術(shù)手段。它是采用主動遙感方式，集成GPS、慣性導(dǎo)航、激光測距等先進技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，再由LiDAR系統(tǒng)上的接收單元收集地物的海量反射信號，從而實現(xiàn)三維地面信息的測繪與定位[1]。與傳統(tǒng)遙感技術(shù)相比，具有對控制測量依賴少、受天氣影響小、自動化程度高、成圖周期短等特點。

1 基于TerraSoLid的LiDAR數(shù)據(jù)處理

本次對LiDAR數(shù)據(jù)的處理在TerraSoLid軟件中進行，基于MicroStation平臺開發(fā)，該平臺提供了視圖操作、矢量編輯等功能[2]。TerraSoLid主要包 含 了Terrascan、Terramodel、Terraphoto等 模 塊。LiDAR點云的預(yù)處理、坐標轉(zhuǎn)換、點云分類主要使用的是Terrascan及Terramodel,正射影像制作主要利用Terrascan及Terraphoto進行。

1.1 DEM制作

1.1.1 點云預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包含獲取的不同航帶點云數(shù)據(jù)的航帶間糾正、坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換以及高程糾正。主要方式是通過人機交互檢查或者程序自動檢查并糾正的方式進行。

1）航帶糾正：由于受到飛機姿態(tài)、飛行高度等因素影響，不同航帶間的點云數(shù)據(jù)存在高程差異，如果高程較差超出成圖比例尺的數(shù)據(jù)生產(chǎn)允許范圍，則應(yīng)進行航帶間點云數(shù)據(jù)糾正。

2）坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換：點云獲取采用的坐標與GPS一致，為WGS84地心坐標。根據(jù)項目要求，應(yīng)該將點云坐標向目標數(shù)學(xué)基礎(chǔ)進行轉(zhuǎn)換。此處的坐標轉(zhuǎn)換包括2個方面，一方面是基于框架的二維坐標轉(zhuǎn)換，另一方面是基于不同水準面的高程值擬合。在Terrascan的坐標變換模塊，用于坐標轉(zhuǎn)換的控制點位應(yīng)均勻分布于測區(qū)的四周及測區(qū)的中部，坐標轉(zhuǎn)換控制點數(shù)量不少于4個。首先定義項目的目標投影，主要設(shè)置內(nèi)容包括橢球的長半軸、扁率、七參數(shù)（即目標橢球相對于WGS的線元素偏移量、角元素偏移量以及縮放因子）、中央經(jīng)線、東偏及長度縮放比例等。通過預(yù)設(shè)參數(shù)實現(xiàn)不同基準的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換?；诓煌疁拭娴母叱讨禂M合一般有2種方法：一種是使用覆蓋測區(qū)若干高程控制點對應(yīng)的同名點云建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而實現(xiàn)不同高程基準的高程數(shù)據(jù)擬合；另一種是通過已知似大地水準面對應(yīng)測區(qū)的高程異常，直接擬合獲取。本項目采用第一種方式實現(xiàn)不同水準面的高程值變換。

1.1.2 點云分類

完成預(yù)處理后的LiDAR數(shù)據(jù)通過檢查合格后開展點云分類，點云分類包括初分類和精分類2步[3]。初分類基于宏執(zhí)行自動分類。采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒ń⒎诸愐?guī)則[4]。本項目提出點云高程值“自上而下”的分類方式，根據(jù)點云數(shù)據(jù)的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征編寫宏規(guī)則，進行自動分類。

初始分類完成后進行手工精分類，準確分離地面點和非地面點。主要通過人機交互的方式，通過剖面顯示來進行分類。精分類前后地面模型對比如圖1所示。

圖1 點云精分類前后模型渲染示意圖

1.1.3 DEM制作

將精分類以后的地面點在Terramodel中構(gòu)三角網(wǎng)生成數(shù)字高程模型，為了達到測區(qū)DEM無縫，用來生產(chǎn)數(shù)字高程模型的點云數(shù)據(jù)必須經(jīng)過嚴格接邊處理。

1.2 DOM制作

在TerraSoLid的Terraphoto中正射影像制作包括以下幾步：

1）影像內(nèi)定向。通過導(dǎo)入相機檢校文件包括相機主距、鏡頭畸變等參數(shù)，確定每張影像像主點的位置。

2）導(dǎo)入影像列表。該列表包含測區(qū)每張影像的攝影時刻和獲取的外方位元素。

3）相對定向。手工添加連接點在像對重疊處選取同名點，確定整個測區(qū)模型的各影像間的相對位置關(guān)系。

4）區(qū)域網(wǎng)平差。利用精分類抽稀后的地面點作為平高點[5]，將整個模型納入到地理坐標中，解算連接點的絕對坐標，利用解算的絕對坐標更新影像列表中的外方位元素[6,7]。再將新的外方位元素應(yīng)用到工程中，通過平差計算調(diào)整連接點點位直至平差結(jié)果滿足同等比例尺生產(chǎn)精度要求。

5）正射糾正。消除了像片傾斜誤差和地形起伏的影像后，將中心投影改為正射投影，對影像進行正射糾正。

6）勻色、鑲嵌及裁切。對測區(qū)的像片按照模板進行勻光勻色，使得整個測區(qū)內(nèi)影像色調(diào)、亮度等信息保持一致，并對完成勻色后的影像在Terraphoto中進行鑲嵌線編輯，避免自動鑲嵌后存在地物矛盾的現(xiàn)象。鑲嵌線編輯前后成果如圖2所示。

圖2 房屋鑲嵌線編輯前對比后示意圖

1.3 DLG采集

基于點云數(shù)據(jù)的DLG采集目前主要基于Microstation平臺或者CASS平臺，本項目基于CASS平臺完成DLG采集。主要生產(chǎn)步驟包括：

1）基于DEM成果的等高線生成及處理，利用DEM成果生成成圖比例尺要求的等高線，并將等高線進行節(jié)點抽稀和圓滑，既保證等高線精度要求也使等高線的表示看上去比較美觀。

2）將精分類后的地面點云按照規(guī)則格網(wǎng)進行抽稀，抽稀后的點云作為高程注記點。

3）對照DOM及點云數(shù)據(jù)進行地形要素采集，采集過程中DOM主要用于判斷要素的形狀和性質(zhì)，而點云數(shù)據(jù)用于判斷點云的實際位置。在實際生產(chǎn)中可引進地面浮雕模型，輔助判斷溝渠、坎、坡等不能直觀從DOM或者海量點云數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的要素。地面浮雕模型如圖3所示。

4）DLG制作完成，通過外業(yè)補測、調(diào)繪后即可進行成果整理入庫。

2 精度評定

以“某市1︰2 000信息化測圖”項目為例，采用外業(yè)散點法沿道路施測的平面檢查點和各高程檢查點檢核基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM、DOM以及DLG的精度。

1）高程精度檢核：將外業(yè)實測點展于DEM上，對比實測點與DEM上同名點位高程值差值。外業(yè)實測949個實測高程檢查點，實測點類型、數(shù)量及檢核精度如表1所示。

表1 高程精度檢核表

本次檢核點共分為5個類別，其中野外實測高程點所占比例最高，為82.5%，且誤差分布服從正態(tài)分布。

1︰2 000測圖高程精度是平地小于0.4 m、丘陵地小于0.5 m、山地小于1.2 m及高山地小于1.5 m。本次所檢核的5類點高程中誤差無論地形如何，DEM精度都高于0.4 m，因此基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM產(chǎn)品精度較高，能夠滿足大比例尺測圖的精度要求。

2）將外業(yè)實測點與采集的DLG疊加，對比同名點點位的平面誤差。外業(yè)實測1 170個高程檢查點，實測點類型、數(shù)量及檢核精度如表2所示。

表2 平面精度檢核表

1︰2 000測圖平面精度要求平地、丘陵地位置中誤差應(yīng)小于等于1 m，接邊限差小于等于2個像素。經(jīng)檢核，基于LiDAR數(shù)據(jù)的DOM、DLG產(chǎn)品成果的高程誤差及平面誤差分布符合正態(tài)分布規(guī)律，且個別較大誤差值也在限差范圍內(nèi)。因此，基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的3D產(chǎn)品完全能夠滿足1︰2 000比例尺成圖的精度要求。

3 結(jié) 語

通過介紹基于LiDAR數(shù)據(jù)的DEM、DOM、DLG產(chǎn)品制作的技術(shù)流程和方法，提出生產(chǎn)中數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)或應(yīng)注意的環(huán)節(jié)以供參考：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理時，及時對處理成果進行過程控制檢查，避免后期出現(xiàn)返工情況。

2）為了測區(qū)DEM實現(xiàn)完全無縫鑲嵌，除了針對分幅的精分類點云數(shù)據(jù)進行接邊外，還應(yīng)對分幅范圍進行外擴后再導(dǎo)出地面模型。

3）DOM生產(chǎn)中，選取的連接點點位分布及數(shù)量對平差精度有較大影響，選取原則盡量滿足分布影像四角和中心。

4）DLG采集時，與地面存在高差的地物、地貌均應(yīng)參考點云數(shù)據(jù)判斷其實際位置，如溝、斜坡、坎、高架橋梁等地物。

5）房屋采集是DLG采集的重點，應(yīng)注意：①在建筑密集區(qū)，矮建筑受遮擋，DOM上可能完全看不到低矮建筑的輪廓或者只能看見部分輪廓，此時不能簡單地依據(jù)DOM進行繪制，應(yīng)依據(jù)點云的形狀判斷實際房屋輪廓。②從DOM上如果能直接看見建筑墻基，可以墻基進行房屋糾正，但是應(yīng)結(jié)合點云判斷基準邊。

6）等高線制作的數(shù)據(jù)源盡量使用DEM而不用精分類后的地面點點云，既可以保證地形的整體走勢，也減少了后期的編輯工作量。

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