機(jī)載LiDAR和攝影測量技術(shù)在山地地區(qū)地形圖測量中的應(yīng)用

鄭 晶，溫玉維，李小雁，盧召艷

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007； 2.湖南財政經(jīng)濟(jì)學(xué)院 湖南省經(jīng)濟(jì)地理研究所，湖南 長沙 410205)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，電網(wǎng)建設(shè)如火如荼[1-2]。變電站的選址對基礎(chǔ)測繪資料的要求也越來越高，故選擇一種既符合精度又滿足工期的測量方式尤為關(guān)鍵。

近幾年，激光雷達(dá)(LiDAR)測量技術(shù)走向成熟，并在公路、鐵路、林業(yè)、電力等不同行業(yè)大規(guī)模頻繁使用[3-6]。該技術(shù)有高精度、高自動化、高效率的“三高”優(yōu)勢[7-8]，將逐漸成為大比例尺地形圖測量的主流技術(shù)手段。

1 機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)原理

機(jī)載LiDAR通過發(fā)射激光照射到對象目標(biāo)，利用安裝在飛行器上的激光測距儀、GNSS系統(tǒng)、IMU系統(tǒng)獲取被照射目標(biāo)的坐標(biāo)位置及高程信息[9-10]。并根據(jù)物體的特性進(jìn)行點(diǎn)云分類，以獲得真實(shí)的數(shù)字地面模型(DSM)。機(jī)載LiDAR測量技術(shù)原理圖如圖1所示。

圖 1 機(jī)載LiDAR測量技術(shù)原理圖

機(jī)載LiDAR測量過程包括兩個階段：外業(yè)的數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理?；玖鞒倘鐖D2所示。

圖2 機(jī)載LiDAR測量基本流程圖

1.1 數(shù)據(jù)獲取

通過采集目標(biāo)體反射的激光束實(shí)現(xiàn)信號的采集。在山地林區(qū)，由于植被茂盛、樹葉濃密，激光束會有多次反射，故LiDAR將采集多個數(shù)據(jù)點(diǎn)[11]。在航飛中需要選擇合適的飛行參數(shù)和飛行方案。通過地面基站差分的方式提高了機(jī)載GNSS的精度，最終獲得高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

使用點(diǎn)云分類軟件中基于不規(guī)則的三角網(wǎng)濾波算法來分離地面點(diǎn)，然后通過設(shè)定相應(yīng)的閾值產(chǎn)生不同的濾波結(jié)果，利用最大建筑尺寸、迭代角、迭代距離、最大地形坡度角來控制地面點(diǎn)的分類精度[12]，從而分類出不同地物。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理詳細(xì)流程圖

2 LiDAR技術(shù)在湘西某變電站地形圖測量工程的應(yīng)用

2.1 工程概況

湘西某變電站是湘西地區(qū)電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。該待建變電站地處武陵山區(qū)腹地，吉首市市區(qū)東側(cè)5 km，海拔約300 m，高差約200 m。站址的西、南兩側(cè)均被萬溶江環(huán)繞，東臨G319國道，北接G56杭瑞高速。測區(qū)內(nèi)無居民住戶，僅存兩間臨時羊棚。山體起伏，植被茂盛，以灌木及雜樹為主，區(qū)內(nèi)無林牧小路，通行困難。測區(qū)共分為兩部分，呈T字形分布，北側(cè)為0.91 km2的變電站主場區(qū)，南側(cè)為0.30 km2的進(jìn)場道路。測區(qū)地理位置如圖4所示。

圖4 湘西某變電站站址示意圖

因該工程工期緊張，需測制1：1 000地形圖。傳統(tǒng)RTK測量方式將無法滿足工期要求且成本較高。植被茂盛地區(qū)采用普通的航測手段，在立體模型下人工采集高程點(diǎn)時，精度會受到來自植被的干擾和人為的經(jīng)驗(yàn)誤差影響。故本工程采用機(jī)載LiDAR測量技術(shù)對測區(qū)進(jìn)行測量，并在該技術(shù)薄弱地區(qū)采用普通航測手段進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。

2.2 LiDAR數(shù)據(jù)的精度分析

利用機(jī)載LiDAR對測區(qū)進(jìn)行飛行拍攝，對飛行軌跡數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)、激光頭擺動角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)。每平方米激光點(diǎn)數(shù)目超過50個，滿足點(diǎn)云密度要求。測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

然后通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類提取和濾波處理，剔除掉植被上的坐標(biāo)點(diǎn)，建立數(shù)字地面模型。

為檢驗(yàn)生成DEM的精度，在測區(qū)內(nèi)按地形和位置均勻采集高程點(diǎn)211個，DEM讀取高程與實(shí)測高程的較差統(tǒng)計如表1所示。

由表1可知，約34.6%的檢測點(diǎn)較差值超過0.4 m。為查找誤差與某屬性的相關(guān)性，將檢測點(diǎn)按不同屬性進(jìn)行分類統(tǒng)計，因測區(qū)全部位于植被茂盛的山地，故分類中不討論不同植被的影響。按照高程、坡度分類結(jié)果如表2所示。

表1 高程較差統(tǒng)計表

表2 檢測點(diǎn)分類統(tǒng)計表

以DEM與檢測點(diǎn)高差值為橫坐標(biāo)，同一高程區(qū)間內(nèi)某一高差區(qū)段的檢測點(diǎn)數(shù)占某一高差區(qū)段的總檢查點(diǎn)數(shù)的比例作為縱坐標(biāo)繪制高程因素相關(guān)折線圖，如圖6所示。

圖6 高程因素相關(guān)圖

由圖6可知，不同精度的高程點(diǎn)在不同高程段基本處于均勻分布，并無強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系。

以DEM與檢測點(diǎn)高差值為橫坐標(biāo)，同一坡度區(qū)間內(nèi)某一高差區(qū)段的檢測點(diǎn)數(shù)占某一高差區(qū)段的總檢查點(diǎn)數(shù)的比例作為縱坐標(biāo)繪制坡度因素相關(guān)折線圖，如圖7所示。

由圖7可知，在坡度由小增大的過程中，低精度高程點(diǎn)比例明顯增加。據(jù)此推測可能由于激光垂直掃射在坡度較大的區(qū)域時，與地面夾角較小，造成在分類時難以明確分辨植被及地面坡坎，而帶來較大誤差。經(jīng)過比較“20°～30°”以及“30°～40°”的折線圖可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度值大于30°時，高程點(diǎn)精度大幅下滑，大部分精度低于0.6 m，隨著坡度的進(jìn)一步增大，高程精度基本都超過1 m，無法滿足設(shè)計要求。故需要在坡度較大區(qū)域進(jìn)行普通攝影測量作為補(bǔ)充。為得到需要進(jìn)行普通航測立體采圖區(qū)域(以下簡稱待修正區(qū)域)的邊界文件，采用了空間分析等手段對機(jī)載激光雷達(dá)生產(chǎn)的DEM進(jìn)行處理。

圖7 坡度因素相關(guān)圖

2.3 空間分析及航測DEM修正

為了分割出坡度大于30°的區(qū)域，采用GIS手段中的坡度分析工具對上文生產(chǎn)的DEM進(jìn)行分析，以30°為邊界對DEM進(jìn)行重分類。將分離的圖塊轉(zhuǎn)換成邊界數(shù)據(jù)，共產(chǎn)生了3 184個圖斑，剔除標(biāo)記的大坡度矢量數(shù)據(jù)后共剩余2 455個有效圖斑?？紤]工作效率以及修正必要性，將面積小于400 m2的區(qū)域舍去。最終剩余88塊面積較大區(qū)域，合計需修正面積約0.19 km2。

通過空間分析得到最終待修正區(qū)域范圍圖，技術(shù)流程如圖8所示。

圖8 空間分析技術(shù)流程圖

對測區(qū)全域經(jīng)過野外的航測和像控點(diǎn)測量，以及室內(nèi)的空三加密，構(gòu)建立體像對。并將圖8流程生成的矢量邊界文件導(dǎo)入進(jìn)行疊加，對矢量邊界區(qū)域內(nèi)的零散地塊進(jìn)行高程點(diǎn)采集，從而構(gòu)建出修補(bǔ)地塊的DEM。并與用修正區(qū)域邊界裁剪的激光雷達(dá)DEM相疊加。最后對兩個DEM融合處做相應(yīng)接邊處理，以滿足精度要求，如圖9所示。

圖9 最終DEM生成圖

按照規(guī)范要求對DEM進(jìn)行高程點(diǎn)抽檢，針對坡度較大區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)檢測。80%點(diǎn)位精度處于0.2～0.6 m之間，相對于激光雷達(dá)的原始DEM精度有所提升，滿足設(shè)計需求。

3 結(jié)論與展望

本文通過結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)和常規(guī)攝影測量技術(shù)對測區(qū)進(jìn)行了大比例尺地形圖的測量，最終得到了滿足需求的數(shù)據(jù)成果。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)載LiDAR技術(shù)在與激光束夾角較小的地形中測量精度有明顯改變且難以控制，可以通過一些傳統(tǒng)穩(wěn)定的測量手段進(jìn)行補(bǔ)充。

針對南方地區(qū)植被茂盛的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)測量技術(shù)效率較低的情況下，激光雷達(dá)技術(shù)以其特殊的數(shù)據(jù)獲取方式將會得到更為廣泛的應(yīng)用。隨著點(diǎn)云分類技術(shù)的不斷發(fā)展以及激光頭硬件的更新，該技術(shù)對灌木叢及夾角問題將會有更優(yōu)的解決方案。