基于LiDAR的測高數(shù)據(jù)制作DEM方法探討與研究

程建新++石國

摘 要：機(jī)載激光雷達(dá)它集成了激光測量、高精度慣性導(dǎo)航（IMU）和GPS全球衛(wèi)星定位、數(shù)碼相機(jī)四項(xiàng)技術(shù)設(shè)備。是通過同步獲取激光回波信息、機(jī)載GPS信息、機(jī)載IMU（慣性導(dǎo)航裝置）信息和測區(qū)內(nèi)GPS基站觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)預(yù)處理軟件差分計(jì)算后生成高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。根據(jù)需求，在相關(guān)后處理軟件平臺(tái)下，生成高精度的數(shù)字地表模型DTM、DEM及DOM。

關(guān)鍵詞：LiDAR 測高 DEM 激光

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0032-02

1 機(jī)載激光掃描獲得地形高程原理

機(jī)載激光掃描測高獲得地形高程的原理是將激光脈沖測距儀安置在妞行器上，通過記錄激光脈沖從發(fā)射機(jī)發(fā)射到地面后經(jīng)地面目標(biāo)物反射后的時(shí)間延遲，然后再乘以光速c，以此來精確測定發(fā)射點(diǎn)到地面反射點(diǎn)（激光腳點(diǎn)）的斜距。同時(shí)機(jī)載的慣性測量系統(tǒng)（IMU）測定飛行器在空問的姿態(tài)參數(shù)（側(cè)滾角、仰俯角和航向角），而GPS提供飛行器精確的位胃信息，在后續(xù)內(nèi)業(yè)處理中，在提供的IMU確定的姿態(tài)信息，GPS測定的飛機(jī)飛行航跡數(shù)據(jù)以及激光脈沖測定的傾斜距離基礎(chǔ)上，可求出個(gè)激光點(diǎn)精確的三維空間直角坐標(biāo)（X，丫Z）。通過一定寬度的掃描，就可獲得具有大量地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本次使用的是ALTM3100系統(tǒng)， ALTM系統(tǒng)同步采集激光地形數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)，可以生成DEM、DOM、DSM，極大地豐富了航攝成果的類型。

2 選用LIDAR獲取較高精度的地形數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

LiDAR激光掃描技術(shù)是一種主動(dòng)式遙感手段，利用激光脈沖對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行掃描，接收回波信息以測定地物。LiDAR激光掃描系統(tǒng)可以同時(shí)接收地面四次回波信息，這樣，激光點(diǎn)就可以穿透植被，準(zhǔn)確的獲取植被覆蓋區(qū)域的地形信息。即使是測區(qū)山區(qū)面積廣，植被覆蓋密度大，利用激光數(shù)據(jù)可以獲得高質(zhì)量的地形數(shù)據(jù)。

3 DEM技術(shù)要求

（1）DEM采樣間隔。

1∶10000比例尺DEM采樣間隔為5m。

（2）DEM 格網(wǎng)點(diǎn)精度。

高程數(shù)據(jù)取位至0.1m。1：10 000比例尺DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差不大于表1之規(guī)定。

（3）DEM 接邊差。

同名點(diǎn)高程較差不得超過一個(gè)等高距。

（4）DEM 分幅裁切。

DEM按內(nèi)圖廓外接矩形裁切。

4 激光數(shù)據(jù)處理流程

針對(duì)激光數(shù)據(jù)處理，遵循以下原則。

（1）解算原則、方法：實(shí)際解算，采用多邊形范圍輸出，以單條航線存儲(chǔ)為一個(gè)激光點(diǎn)文件；采用WGS84橢球，UTM投影坐標(biāo)系。

（2）POS處理說明：處理基站數(shù)據(jù)時(shí)，由觀測手簿獲得基站坐標(biāo)及天線高；使用基站時(shí)，盡可能多的使用離測區(qū)范圍最近的所有基站，并且加載靜態(tài)初始化數(shù)據(jù)。

（3）航帶重疊處理：航線與航線之間重疊的部分，根據(jù)航線，需將重疊部分的冗余數(shù)據(jù)剔除出去，以減小數(shù)據(jù)量。

激光數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程如下：①原始數(shù)據(jù)解碼：利用地面預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)采集的原始激光數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從而獲得GPS文件，IMU文件，激光點(diǎn)文件等。②POS數(shù)據(jù)處理：機(jī)載POS與地面基站GPS進(jìn)行差分和融合，獲得精確坐標(biāo)。③激光數(shù)據(jù)處理：處理后的POS數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，獲得地面坐標(biāo)；輸出激光點(diǎn)文件。

5 DEM、DSM生產(chǎn)

5.1 激光點(diǎn)濾波

根據(jù)地形情況，首先剔除噪聲點(diǎn)，包括云、折射等造成的高程異常點(diǎn)；然后設(shè)定適合的參數(shù)，TerraScan軟件自動(dòng)提取地面點(diǎn)。

5.2 航線接邊處理

將POS數(shù)據(jù)生成的航跡成果信息，加載到激光點(diǎn)文件中，給激光點(diǎn)指定航線號(hào)，根據(jù)激光點(diǎn)的位置及姿態(tài)，對(duì)重疊區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)裁切及拼接。

5.3 激光點(diǎn)編輯

將分類后的數(shù)據(jù)打開，單獨(dú)察看ground層，如果發(fā)現(xiàn)地形有明顯錯(cuò)誤或分類效果沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則需要將這部分?jǐn)?shù)據(jù)重新進(jìn)行分類計(jì)算。

5.4 DEM輸出

Ground點(diǎn)編輯完成之后，以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)格式，輸出DEM。

5.5 利用編輯好的DEM數(shù)據(jù)生成DSM

（1）利用PCI公司開發(fā)的LIDAR數(shù)據(jù)處理模塊LidarEngine軟件，導(dǎo)入激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)（*.las格式）。生成DSM為了直觀檢查DEM的錯(cuò)誤（見圖1）。

（2）使用LIDAR處理算法，生成激光數(shù)據(jù)DSM影像。（見圖2）。

檢查DSM數(shù)據(jù)，地形高程異?；虍a(chǎn)生漏洞區(qū)域，需要重新修改原始LAS數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，再次生成新的DSM檢查。

5.6 成果精度

激光LIDAR獲取的DEM高程精度應(yīng)滿足30 cm，平面精度應(yīng)小于1 m。

5.7 精度超限解決方案

當(dāng)成果精度經(jīng)過實(shí)際檢測，不能滿足項(xiàng)目要求時(shí)，需要對(duì)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行精度超限改正。有兩種方法。

（1）通過外業(yè)控制測量，對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行糾正處理，使其精度提高。（2）在測區(qū)內(nèi)，垂直航線方向補(bǔ)飛兩條（一個(gè)架次內(nèi)），以垂直補(bǔ)飛數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配（Match），得出改正參數(shù)。

5.8 成圖輸出

格式轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)按照1∶10000標(biāo)準(zhǔn)圖廓進(jìn)行分幅，作為成果提供使用。（見圖3）

6 結(jié)語

機(jī)載激光掃描測高涉及的實(shí)際應(yīng)用很多，是一個(gè)典型的3S集成系統(tǒng)，隨著機(jī)載激光掃描測高技術(shù)的不斷成熟和數(shù)據(jù)處理算法的不斷完善，機(jī)載激光掃描測高技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣，特別是對(duì)于機(jī)載激光掃描測高技術(shù)。目前的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，利用機(jī)載激光掃描測高數(shù)據(jù)建立大范圍高精度數(shù)字地面模型；利用機(jī)載激光掃描測高數(shù)據(jù)建立3D城市模型；緊急如滑坡測繪等災(zāi)害事件的快速反應(yīng)及變化監(jiān)測；進(jìn)行森林資源的管理和評(píng)估；海岸地帶測繪等。

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