基于ALS60的山西省高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)處理方法的探討

王昕寧

(山西省測繪工程院，山西太原 030002)

基于ALS60的山西省高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)處理方法的探討

王昕寧

(山西省測繪工程院，山西太原 030002)

機載LiDAR測量技術(shù)可以較低的成本快速獲取大范圍高精度DEM數(shù)據(jù)。筆者所在單位采用Leica公司的ALS60系統(tǒng)，快速、高效地獲取了山西省高精度、高時空分辨率和全覆蓋率的激光點云數(shù)據(jù)。本文結(jié)合生產(chǎn)實際情況，探討大區(qū)域激光點云數(shù)據(jù)的處理流程及方法，為ALS60系統(tǒng)進行大范圍、高精度的數(shù)字高程模型生產(chǎn)提供技術(shù)借鑒。

ALS60；視準(zhǔn)軸；TerraMatch；DEM

一、引 言

機載激光掃描系統(tǒng)(LiDAR)是將現(xiàn)代激光測距技術(shù)、GPS定位技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)集成在一起的軟硬件系統(tǒng)，其在獲取高精度的數(shù)字表面模型(DSM)及數(shù)字高程模型(DEM)方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。眾多科研與技術(shù)人員進行了相關(guān)研究與實踐[1-5]，為該技術(shù)的理論研究與技術(shù)應(yīng)用奠定了前期基礎(chǔ)。為了滿足各類不同行業(yè)用戶及科學(xué)研究機構(gòu)對山西省精密地表數(shù)據(jù)的需求，筆者所在單位采用ALS60測量系統(tǒng)，對山西省全境范圍進行LiDAR測量。經(jīng)過對激光點云數(shù)據(jù)處理，進而建立起一個高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的全省地面數(shù)字高程模型，并將其成果應(yīng)用于山西省的國土測繪、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、交通建設(shè)、電力建設(shè)、水利建設(shè)、地面沉降測量、工程測量及城市地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。

二、項目概況

1.項目區(qū)概況

山西省位于華北平原西側(cè)的山地黃土高原，省境四周大部為山河環(huán)繞，東和東南倚太行山與河北、河南兩省接壤，西和西南隔黃河與陜西、河南相望，北以長城與內(nèi)蒙古自治區(qū)相連。全省平面輪廓為由東北斜向西南的平行四邊形。全省總面積為15.63萬km2，約占全國總面積的1.63%。

2.ALS60系統(tǒng)介紹

Leica公司的 ALS60(配備機載 GPS系統(tǒng)和IMU系統(tǒng))是一個可搭載在多種航空飛行平臺上獲取地表反射強度數(shù)據(jù)的機載激光掃描集成系統(tǒng)(如圖1所示)。該系統(tǒng)在飛行過程中同時記錄激光的距離強度信息、GPS定位信息和慣性定向信息。ALS60具有多次回波記錄功能，每個回波同樣有三維坐標(biāo)記錄。

圖1 ALS60機載激光掃描系統(tǒng)

3.工作內(nèi)容介紹

山西省ALS60測量項目共獲取15.8萬km2的激光點云數(shù)據(jù)。航飛設(shè)計主要指標(biāo)為：旁向重疊度在20%左右，絕對航高5000～5600 m，獲取的激光點云間距3 m，共航攝198個架次。激光點云數(shù)據(jù)的處理劃分了49個區(qū)。

三、Terrasolid平臺下的數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)處理

1.工藝流程

點云數(shù)據(jù)處理制作數(shù)字高程模型工藝流程如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理流程

2.關(guān)鍵技術(shù)

采用常規(guī)的檢校場檢校的方法處理激光點云數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精度和提交成果的精度差距甚大。經(jīng)過大量實踐后發(fā)現(xiàn)，一個檢校場的檢校結(jié)果完全不能滿足檢校后連續(xù)航飛的大面積測區(qū)數(shù)據(jù)的后處理精度要求，存在航帶間高程誤差超限、平面位置偏差超限、檢查點超限等問題?；诖罅康膶嵺`驗證數(shù)據(jù)，在對視準(zhǔn)軸誤差定性及定量分析的基礎(chǔ)上，提出了一種無須大量增加檢校飛行，直接基于測區(qū)激光點云航帶數(shù)據(jù)的每架次航飛數(shù)據(jù)的視準(zhǔn)軸檢校方法，即針對測區(qū)每航帶激光點云數(shù)據(jù)的視準(zhǔn)軸誤差改正。利用航攝分區(qū)中的縱橫交錯的航攝區(qū)域(如圖3所示)所形成的重疊區(qū)來量測視準(zhǔn)軸誤差值，改正每個航飛架次數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。

圖3 航攝區(qū)域重疊區(qū)

TerraMatch能當(dāng)作激光掃描儀校正工具來用或當(dāng)作一個數(shù)據(jù)質(zhì)量改正工具。當(dāng)把它作為激光掃描儀校正工具用時，它將解決在激光掃描儀和慣性測量裝置間未對準(zhǔn)問題，最終將偏角、滾角和傾角的改正值應(yīng)用到全部的數(shù)據(jù)中。實際的工程數(shù)據(jù)中可能數(shù)據(jù)源存在錯誤，TerraMatch可以解決整個數(shù)據(jù)的改正或?qū)γ織l航線單獨做改正。

(1)翻滾角(Roll)的視準(zhǔn)軸偏差值量測

翻滾角視準(zhǔn)軸偏差會導(dǎo)致數(shù)據(jù)在航線兩側(cè)出現(xiàn)一邊高一邊低的現(xiàn)象。如果一個水平面橫切航線，翻滾角引起的偏差時，會和水平面交叉形成一個夾角r，如圖4所示。

圖4 翻滾角與水平面交叉角示意圖

沿著b航線中心線，量取3航線兩側(cè)m與n點與b航線的差值h1、h2，求得h＝(h1＋h2)/2。由此，量測得到翻滾角視準(zhǔn)軸偏差值的計算公式

式中，s為中心點到采集點的距離值；h為航線左右兩側(cè)差值的平均值。

如果掃描儀的電纜一端指向飛機前部(正向安裝)，則翻滾角在正方向的轉(zhuǎn)動使得數(shù)據(jù)順時針偏轉(zhuǎn)。如果掃描儀的電纜一端指向飛機后部(反向安裝)，則翻滾角在正方向的轉(zhuǎn)動使得數(shù)據(jù)逆時針偏轉(zhuǎn)。

(2)俯仰角(Pitch)和旋偏角(Heading)的視準(zhǔn)

軸偏差值量測

相鄰反向航線重疊部分地物的前后分離錯位是俯仰角和旋偏角共同影響造成的。在沒有較好校正條件的情況下可以根據(jù)3條以上的相鄰反向航線地物分離差值進行校正，這種校正方法只能將數(shù)據(jù)的誤差縮小，但不能夠精確地消除俯仰角和旋偏角誤差的影響，如圖5所示。

圖5 相鄰反向航線重疊部分示意圖

利用測區(qū)內(nèi)相鄰相反航線上屋頂或尖山頂(屋頂或尖山頂應(yīng)垂直于航線)的分離值得出俯仰角視準(zhǔn)軸偏差值計算公式

式中，d為尖頂物的分離值；h為平均航高，如圖6所示。

圖6 相鄰相反航線上屋頂或尖山頂示意圖

俯仰角誤差在平地上表現(xiàn)不明顯。但在測區(qū)沒有相鄰的同向飛行航線時，分別量取相鄰相反的3個以上的鄰近重疊區(qū)的屋頂或較陡的山地的分離值改正俯仰角和旋偏角視準(zhǔn)軸偏差值，如圖5所示，其中1、3的值相等，2、4的值相等，其中較大的值受俯仰角和旋偏角共同影響造成的相鄰航帶同一地物的前后分離錯位，較小的分離值作為俯仰角改正值，改正俯仰角后將較大的分離值減去較小的分離值作為旋偏角的改正值

式中，l為兩條航線中心線間的距離；d為尖頂物的分離值。

旋偏角的正向旋轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)向左(正向安裝)或向右(反向安裝)偏移。旋偏角的負向旋轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)向右(正向安裝)或向左(反向安裝)偏移。在航線條帶中部沒有旋偏角的誤差影響。旋偏角誤差在平面地物上表現(xiàn)不明顯。

(3)TerraMatch的平差處理中修正系統(tǒng)誤差參數(shù)設(shè)置

運行TerraMatch的平差處理，對所處理的區(qū)域激光點云數(shù)據(jù)進行整體平差計算，如圖7所示。

經(jīng)過TerraMatch的平差處理后航帶間的高程系統(tǒng)誤差得到較大優(yōu)化，3個視準(zhǔn)軸檢校的殘差也進一步得到消除，如圖8所示。

在山西省高精度數(shù)字高程模型項目中，綜合應(yīng)用了上述兩種改正激光點云數(shù)據(jù)系統(tǒng)差的方法，處理制作了15.8萬km2的海量DEM數(shù)據(jù)。最終DEM成果的自檢結(jié)果和質(zhì)檢單位的檢查結(jié)果證明：全省范圍的DEM數(shù)據(jù)精度在平地、丘陵、山地、高山各個地形內(nèi)的精度完全一致，并遠高于技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

圖7 TerraMatch平差參數(shù)設(shè)置示意圖

圖8 TerraMatch平差處理結(jié)果示意圖

四、數(shù)字高程模型成果的高程精度統(tǒng)計

為控制山西省高精度數(shù)字高程模型項目的高程精度，全野外布設(shè)檢查點3269個(以1∶1萬圖幅為單位)，平地一幅圖布設(shè)一個檢查點，丘陵和山地每四幅圖布設(shè)一個檢查點。檢查點高程方向上的差值基本呈正態(tài)分布(如圖9所示)(正值1809個，負值1460個)，最大0.66 m，最小-0.78 m，高程中誤差為0.15 m，完全符合項目設(shè)計中規(guī)定的精度指標(biāo)。

圖9 檢查點殘差正態(tài)分布圖

五、結(jié)束語

利用ALS60激光掃描系統(tǒng)獲取大面積的DEM數(shù)據(jù)，它的后處理過程是一項非常艱巨的工作。本文依據(jù)實際的生產(chǎn)處理中所遇到的具體問題的解決方法，提出了針對測區(qū)每航帶激光點云數(shù)據(jù)的視準(zhǔn)軸誤差改正方法和TerraMatch修正高程系統(tǒng)誤差及視準(zhǔn)軸誤差的方法，對LiDAR機載激光掃描系統(tǒng)進行大范圍高精度數(shù)字高程模型生產(chǎn)具有技術(shù)上的參考意義。

[1] 張小紅.機載激光雷達測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

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[3] 周淑芳，李增元，范文義，等.基于機載激光雷達數(shù)據(jù)的DEM獲取與應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22 (3)：356-360.

[4] 張齊勇，岑敏儀，杭芬.基于LiDAR點云數(shù)據(jù)索引的DEM快速提取[J].測繪科學(xué)，2010，35(3)：69-73.

[5] 王雪嬌，洪友堂.機載 LiDAR技術(shù)在快速生產(chǎn)高精度DEM中的應(yīng)用[J].北京測繪，2011(4)：33-46.

An Exploration of ALS60 Based Data-processing Method for Shanxi High-precision Digital Elevation Model Production

WANG Xinning

P231

B

0494-0911(2014)07-0078-04

2014-03-11

王昕寧(1980—)，女，蒙古族，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，主要從事航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。

王昕寧.基于ALS60的山西省高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)處理方法的探討[J].測繪通報，2014(7)：78-81.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0231