基于多數(shù)據(jù)源的高精度城市地表高程提取研究

文｜中國城市科學研究會 鄭云梅 吳潔 張勝雷/北京城建六建設集團有限公司 王強/北京治元景行科技有限公司 趙永鵬

1 引言

近些年來，城市內(nèi)澇及面源污染問題逐漸成為威脅城市安全運行的最主要問題。為實現(xiàn)城市規(guī)劃合理控制地表徑流的目的和要求，其中一項基本工作是獲取基于徑流系數(shù)的城市地表空間類型信息。城市地表空間類型包括下凹式綠地、河湖緩沖區(qū)等，因而要獲取城市地表空間類型，需獲取高精度城市數(shù)字高程模型（DEM）。目前免費獲取DEM的途徑為網(wǎng)上下載公開的SRTM 數(shù)據(jù)，但分辨率僅為30 米，精度低，不能滿足城市地表空間類型識別的需要。其他高精度數(shù)字高程模型獲取途徑包括機載激光雷達數(shù)據(jù)、數(shù)字航空攝影測量和地形圖等。

傳統(tǒng)利用野外實測建立大比例尺地形圖的方法往往成本高、效率低。利用地形圖獲取DEM，主要通過提取地形圖中高程點，再通過內(nèi)插的方法得到DEM。地形圖比例尺決定了DEM 的精度。機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一種對地表空間和特征信息的直接定位新技術，能夠快速獲取地表高精度的數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）數(shù)據(jù)進而獲取高精度DEM。通過機載激光雷達數(shù)據(jù)提取DEM 的成本高，理論上精度最高。早在2011年時國家出臺了《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范》（CH/T 8023-2011）。學者們也做了大量Lidar 生產(chǎn)DEM 方面的研究，DEM 精度均較高。如李春曉、丁黎等（2016）利用某一城區(qū)0.3 個點/平方米機載雷達點云，經(jīng)不規(guī)則三角網(wǎng)算法濾波，抽稀、自然鄰域插值法，最終生成了高精度城區(qū)DEM；周琦、韓富圓等（2019年）為驗證Lidar-DP 系統(tǒng)生產(chǎn)DEM 技術方法，按照2011年國家出臺《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范》（CH/T 8023-2011），生產(chǎn)了1∶2000 比例尺DEM。

航空攝影測量指的是在飛機上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點測量、調(diào)繪和立體測繪等步驟，獲取DEM、DOM 等圖件的過程。航空攝影測量生產(chǎn)高精度DEM 由于其生產(chǎn)成本低、精度較高被廣泛研究。2010年國家頒布了《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003-2010)。學者們也做了大量研究發(fā)現(xiàn)其精度也較高，如胡榮明、張敏等（2011年）基于無人機低空影像生成1∶1000 比例尺正射影像時構建了DEM，利用檢查點法計算不柵格尺寸的DEM 精度，發(fā)現(xiàn)2.5m 時DEM 的精度最高，高程中誤差為0.0517。

通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前針對地形圖、機載激光雷達、航空影像等多種數(shù)據(jù)源生產(chǎn)高精度DEM 的對比研究較少，大部分都利用一種數(shù)據(jù)制作DEM。因此本研究擬通過地形圖、機載激光雷達、傾斜影像等多種數(shù)據(jù)源探索一種經(jīng)濟快捷的獲取高精度DEM的途徑，為城市地表空間類型信息獲取過程中高精度DEM 的獲取提供參考。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)簡介

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江、京杭大運河交匯處，江蘇省鎮(zhèn)江市區(qū)西南部潤州區(qū)北部，東與鎮(zhèn)江市京口區(qū)毗鄰，經(jīng)緯度范 圍 為：119 ° 23 ′ E～119 ° 27 ′ E，32°11′～32°14′N，東西長約4.75 公里，南北長約3.37公里，面積約為9.175平方公里，如圖1所示。該區(qū)域地形起伏不大，高差從0 米至50 米，高差較小。該區(qū)地處中國經(jīng)濟最活躍的長三角核心區(qū)域，居民小區(qū)樓房眾多，交通發(fā)達。氣候方面屬北亞熱帶季風氣候帶，具有明顯的季風性、過渡性、變異性氣候特點：春秋季短，為季風轉(zhuǎn)換季節(jié)，氣候溫和；冬夏季長，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。

2.2 數(shù)據(jù)源

本研究數(shù)據(jù)源主要包括：（1）從鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院購置的鎮(zhèn)江主城區(qū)1∶500 比例尺地形圖原始測繪高程點。（2）鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院采集的25 個外業(yè)RTK 像控點數(shù)據(jù)成果表。（3）從北京數(shù)字綠土科技有限公司購置的2017年3月鎮(zhèn)江主城區(qū)沿內(nèi)湖區(qū)域9.175 平方公里機載激光雷達數(shù)據(jù)、傾斜影像。激光雷達和傾斜影像數(shù)據(jù)采用自主獨立設計集成的機載激光雷達系統(tǒng)Li-Eagle 進行作業(yè)，該系統(tǒng)集成了國際先進的激光雷達系統(tǒng)、計算機自動導航系統(tǒng)、高精度的慣性導航系統(tǒng)IMARFSNS 及高分辨率的佳能5D MarkII 數(shù)碼相機，具備高效率、高精度、高可靠性的優(yōu)勢。動力三角翼的航線高度為320 米，獲取的激光雷達點云密度約14-25 個點/平方米。傾斜影像的旁向重疊度為50%，航向重疊度為70%，地面分辨率為5cm。

圖1 研究區(qū)范圍

圖2 點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM 流程圖

圖3 鎮(zhèn)江主城區(qū)激光雷達點云密度圖（左）、傾斜影像點云密度圖（右）

2.3 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括前期預處理和坐標轉(zhuǎn)換兩步。機載激光雷達點云數(shù)據(jù)前期預處理主要包括兩步，一是利用IE 航跡解算軟件進行pos 解算。二是使用POFImport 工具、RiProcess 軟件對點云進行解算。經(jīng)過相鄰航帶間平面和高程匹配方面的檢查，點云數(shù)據(jù)匹配精度滿足1∶1000 精度要求；傾斜影像數(shù)據(jù)前期預處理主要包括兩步，一是利用smart3d 軟件構建s3c 模型，二是利用Pix4D軟件生成點云數(shù)據(jù)。

機載激光雷達點云數(shù)據(jù)和傾斜影像數(shù)據(jù)獲取的點云數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換利用Terrasolid軟件進行，通過選取25 個外業(yè)RTK 像控點數(shù)據(jù)成果表中5 個像控點建立了WGS84 橢球（UTM50N）坐標和CGCS2000 坐標之間的轉(zhuǎn)換關系，并結(jié)合剩余20 個點進行坐標轉(zhuǎn)換精度驗證，經(jīng)過比較，坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)精度滿足相應規(guī)范要求。

3 DEM 提取方法

為高效獲取高精度DEM，本研究中機載激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM 流程按照《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范》（CH/T 8023-2011）進行，傾斜影像獲取的點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM 流程亦按照該技術規(guī)范中點云濾波分類技術流程進行。由于本研究中地形圖比例尺為1∶500，精度超出了機載激光雷達點云和傾斜影像數(shù)據(jù)獲取的點云數(shù)據(jù)，因此采用該數(shù)據(jù)原始測繪高程點對上面兩種方法生產(chǎn)的DEM 精度進行分析。

4 DEM 提取過程

本研究DEM 提取流程，包括點云密度統(tǒng)計、噪聲點過濾、自動分類、人工編輯、DEM 生成等5 步，主要利用Envi Lidar 軟件進行提取，提取流程如圖2所示。具體提取過程如下：

4.1 點云密度檢查

在Terrasolid 軟件中打開任一航帶點云數(shù)據(jù)，使用Terrasolid 軟件點云統(tǒng)計密度工具進行點密度統(tǒng)計。受測區(qū)地形起伏、航線覆蓋范圍內(nèi)河流、池塘等的影響，激光雷達點云密度約14-25 個點/平方米（如圖3所示），根據(jù)《CHT 8023-2011 機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范》，滿足1∶1000 比例尺精度要求。傾斜影像點云密度在0.25 個點/平方米以上（如圖3所示）。

4.2 噪聲點過濾

噪聲點過濾主要是提取明顯低于地面的點或點群、明顯高于地表目標的點或點群，以及移動的地物點，即低點、空中點以及移動地物點。利用ENVI Lidar 軟件中高度設置功能，過濾噪聲點云。

4.3 點云數(shù)據(jù)分類與信息提取

由于本研究目標為提取1:1000 高精度DEM，因此根據(jù)相關規(guī)范，將DEM 數(shù)據(jù)輸出網(wǎng)格大小設置為1 米，系統(tǒng)自動計算生成DEM、樹木、房屋等信息；其參數(shù)設置及處理方法功能如圖4、5 所示：

圖4 DEM 自動提取參數(shù)設置圖

圖5 點云數(shù)據(jù)分類與信息提取圖

圖6 點云數(shù)據(jù)結(jié)果編輯圖

圖7 鎮(zhèn)江主城區(qū)激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 數(shù)據(jù)

圖8 鎮(zhèn)江主城區(qū)機載傾斜影像點云生產(chǎn)的DEM 數(shù)據(jù)

4.4 DEM 數(shù)據(jù)編輯及保存

人工交互編輯的目的是剔除自動分類沒有濾掉的部分粗差和未分類正確的激光點。利用Envi lidar 的QA 模式只需按一下特定的數(shù)據(jù)點，便可以修改其屬性?？捎闷交?，修改誤分類或調(diào)整個別結(jié)果的方法來對DEM進行修正，包括建筑物、樹木的形狀、高度等，實現(xiàn)DEM 的精細化處理，其處理界面如圖6所示。

最終利用激光雷達點云數(shù)據(jù)、傾斜影像點云制作得到的DEM 如圖7、8 所示。

表1 基于1∶500 比例尺地形圖原始高程點的DEM 精度統(tǒng)計表

表2 基于像控點的DEM 精度統(tǒng)計表

5 精度評價

5.1 基于1∶500 比例尺地形圖原始高程點數(shù)據(jù)精度評價

從1∶500 地形圖原始測繪高程點中隨機篩選了位于道路上的500 個點，對傾斜影像與機載激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 進行精度評價，結(jié)果如表1所示?？芍?，傾斜影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 最大高差為0.293 米，激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 最大高差為0.141 米。可見激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 精度明顯較高。

5.2 基于像控點的精度評價

基于鎮(zhèn)江勘察測繪研究院采集的像控點對傾斜影像與機載激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 進行精度評價，結(jié)果如表2所示。可知，傾斜影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 最大高差為0.372米，激光雷達點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM 最大高差為0.093 米。

由于地形圖獲取時間與機載激光雷達點云、傾斜影像獲取時間不一致，精度評價結(jié)果略有差異，但精度基本一致，機載激光雷達點云獲取的DEM 精度較高，最大高差為0.093m，較符合城市地表空間識別的需求。

6 獲取成本和工作量分析

1∶1000DEM 獲取來源主要包括激光雷達點云數(shù)據(jù)、傾斜影像獲取，或直接購置1∶1000DEM 成果。從數(shù)據(jù)源獲取成本角度來說，根據(jù)表3三方詢價結(jié)果，可知鎮(zhèn)江10 平方公里激光雷達數(shù)據(jù)采集總費用在15萬元以上，航空影像成本較低，為5～6 萬元。根據(jù)《測繪工程產(chǎn)品價格》，1∶1000DEM產(chǎn)品價格為770.34 元/幅（研究區(qū)地形較為平坦，因此按照最容易級別價格進行計算），每幅面積為0.2 平方公里，因此研究區(qū)1∶1000 比例尺DEM 市場價為3.8517萬元，可見激光雷達數(shù)據(jù)采集費用明顯高于1∶1000 比例尺DEM 購置費用。

從數(shù)據(jù)源制作角度來說，對于類似于鎮(zhèn)江主城區(qū)這種較為平坦的區(qū)域來說，由于1∶1000DEM 制作需獲取大量的高精度實測點，需投入大量的工作人員和時間才能獲取。但對于處于山地、丘陵地區(qū)的城市來說，隨著地形起伏程度的不斷加大，地形圖實測點信息的獲取難度增加，特別對于喀斯特地貌等情況，更是難上加難，已不是工作量的事情。因此對于這類地區(qū)來說，通過機載激光雷達數(shù)據(jù)，無疑是獲取高精度DEM 的最佳方式。

表3 鎮(zhèn)江主城區(qū)激光雷達和真彩色數(shù)據(jù)采集價格統(tǒng)計表

7 結(jié)論

本研究通過鎮(zhèn)江主城區(qū)潤州北部約10平方公里機載激光雷達點云數(shù)據(jù)、傾斜影像生產(chǎn)1∶1000 比例尺DOM 影像過程中生成的點云數(shù)據(jù)，按照點云數(shù)據(jù)處理規(guī)范生產(chǎn)了高精度DEM 數(shù)據(jù)。通過精度比較和驗證，結(jié)果表明機載激光雷達點云數(shù)據(jù)精度較高。結(jié)合1∶1000 比例尺DEM 市場價，機載激光雷達點云數(shù)據(jù)、傾斜影像數(shù)據(jù)獲取成本進行分析?？芍獧C載激光雷達點云數(shù)據(jù)成本高，其生產(chǎn)的DEM 精度最高。傾斜影像數(shù)據(jù)成本次之，精度略低。通過直接購置1:1000 比例尺DEM 成本最低，精度也較高，但本結(jié)論僅適用于地形較為平坦的區(qū)域，對于城市地形起伏較大的區(qū)域，還需進一步研究。