機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在大比例尺地形測繪中應(yīng)用研究

陳則剛，劉 帥，胡鴻毅

（湖南中核建設(shè)工程有限公司，湖南 長沙 410119）

地形測量中隨著我們對空間數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)度要求越來越高。傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)已經(jīng)無法滿足地形測量實(shí)際需求，在此背景下機(jī)載激光雷達(dá)攝影技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用極大提高了空間數(shù)據(jù)的獲取率，測繪工作效率得到了提升。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為區(qū)域空間地理信息準(zhǔn)確獲取提供了新的技術(shù)手段。傳統(tǒng)測量技術(shù)只能獲取單一數(shù)據(jù)，而采用新的測繪技術(shù)可連續(xù)獲得地形測量數(shù)據(jù)，提升了測繪數(shù)據(jù)獲取速度及精度，例如地形數(shù)字模型、測量物體的三維坐標(biāo)，結(jié)合數(shù)碼影像技術(shù)，可將獲取的數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行分類，并制作出正射影像圖、縱橫斷面圖，在攝影測量與遙感領(lǐng)域及工程測繪等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求。

1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)原理

機(jī) 載LiDAR(Light Laser Detection and Ranging) 是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LIDAR)是將激光用于回波測距和定向,并通過位置、徑向速度計(jì)物體反射特性等信息來識別目標(biāo)。它體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號處理技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)起源于傳統(tǒng)的工程測量中的激光測距技術(shù),是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是遙感測量領(lǐng)域的一門新興技術(shù)。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。其中主動傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標(biāo)高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術(shù)可獲取探測目標(biāo)的數(shù)字成像信息，經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個(gè)地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后經(jīng)過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果。所設(shè)計(jì)的機(jī)載激光雷達(dá)是一個(gè)具備長距離、高速度的測量設(shè)備，此設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行系統(tǒng)主要是由高分辨率數(shù)碼照相機(jī)、激光測高儀、IMU、定位裝置構(gòu)成，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形區(qū)的同步測量。將獲取的測量數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)計(jì)算軟件中，得到高密度激光點(diǎn)云數(shù)值，以確保所得的數(shù)據(jù)源是精準(zhǔn)的。這種測量技術(shù)與遙感測量數(shù)據(jù)相比測量覆蓋范圍更廣，屬于一種特殊的數(shù)據(jù)獲取方式。

在測高作業(yè)中合理采用機(jī)載LIDAR 系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同航高精準(zhǔn)測量作業(yè)，測量精度誤差控制在0.5m 以內(nèi)，測量高程范圍在5cm～30cm 之間，機(jī)載激光雷達(dá)測量地面分辨率達(dá)到最高級。因此可以得出機(jī)載雷達(dá)LIDAR 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)定位，這一技術(shù)上的突破能夠?yàn)楣こ痰乩硇畔y繪工作提供了精準(zhǔn)的信息，有效提高了測量工作效率。

2 激光雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢

2.1 無需地面控制點(diǎn)，直接獲取地理參考坐標(biāo)

在使用過程中，依托于GNSS+IMU 的組合定位傳感系統(tǒng)，直接獲取到地面數(shù)據(jù)的絕對坐標(biāo)，無需地面控制點(diǎn)，相比可見光成像系統(tǒng)，避免了刺點(diǎn)的繁冗工作，極大地提升了作業(yè)效率，簡化作業(yè)難度，提升外業(yè)效率。

2.2 精度高，滿足大比例尺測圖規(guī)范要求

經(jīng)過大量的測試和用戶實(shí)際使用，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)際RTK 測量的數(shù)據(jù)及測圖，偏差的絕對精度最高可達(dá)5cm 以內(nèi)，滿足1:500 測圖需求。針對更高精度項(xiàng)目需求，可通過控制糾正的方法來進(jìn)一步提高。

2.3 多平臺，多種載體解決復(fù)雜地形測量

激光雷達(dá)系統(tǒng)可搭載到無人機(jī)、汽車、電動車、背包、輪船等多種載體，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，不受空域禁飛影響，且不同平臺數(shù)據(jù)可以無縫疊加，從而保證數(shù)據(jù)的完整性。

針對植被覆蓋不密，面積較大的區(qū)域，可采用無人機(jī)機(jī)載進(jìn)行快速高效率掃描，后處理過程中可借助CoProcess 軟件自動分類出地面的，剔除植被，準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上；針對植被覆蓋較密集的區(qū)域，但GPS 信號也比較好的區(qū)域，可將激光雷達(dá)系統(tǒng)放于車載（如有路）或背包（無路），進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集，采集更快剛方便，此時(shí)一般需要進(jìn)行精度糾正；針對植被完全覆蓋的地形，采用SLAM 背包測量系統(tǒng)，解決無GPS 信號或GPS 信號遮擋的問題。

2.4 效率高，快速解決工期緊張的難題

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)一個(gè)架次40 分鐘可飛0.4～0.5 平方公里面狀地形/6 公里帶狀道路，作為車載模式時(shí)每天可采集100 公里以上帶狀數(shù)據(jù)。針對復(fù)雜地形，采用“無人機(jī)+車載+背包”多種方式融合的測量手段，可以極大地提高效率；并且激光掃描是一種無須外界光照條件的測量手段，在夜間也能進(jìn)行測量，“日夜兼程”，確保工期緊張的情況下按時(shí)完成任務(wù)。某一地區(qū)的地籍測量面積公約102356 m2。

表1 應(yīng)用不同測量手段進(jìn)行地形測量的對比結(jié)果

3 機(jī)載雷達(dá)在大比例尺地形圖作業(yè)流程

3.1 實(shí)施方案

項(xiàng)目實(shí)施方案分為以下幾個(gè)過程：

現(xiàn)場踏勘→線路規(guī)劃→基站架設(shè)→設(shè)備安裝→數(shù)據(jù)采集→結(jié)束采集→數(shù)據(jù)預(yù)處理→數(shù)據(jù)后處理→項(xiàng)目總結(jié)。

圖1 實(shí)施方案

3.2 作業(yè)流程

3.2.1 現(xiàn)場踏勘

通過現(xiàn)場踏勘，了解整個(gè)測區(qū)的情況，需要了解的內(nèi)容有測區(qū)范圍、成果需求、地形狀況、天氣狀況、電力線路走向、桿塔分布等情況，從而為線路規(guī)劃準(zhǔn)備提供依據(jù)。

3.2.2 線路規(guī)劃

根據(jù)單位要求進(jìn)行飛行線路的規(guī)劃，選擇基站架設(shè)位置，安排好飛手、地面站操控人員、基站架設(shè)人員、配合人員等，并且規(guī)劃好每個(gè)人員的工作職責(zé)和工作范圍。

圖2 線路規(guī)劃界面

3.2.3 基站架設(shè)

使用華測I70多星座GNSS系統(tǒng)作為基站，架設(shè)與測區(qū)附近，整平對中后量取儀器高，然后開機(jī)，將設(shè)備切換為靜態(tài)測量模式，設(shè)置采樣頻率為5HZ?；眷o態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)間需要長于機(jī)載雷達(dá)工作時(shí)間，或者至少與其同步，保證機(jī)載雷達(dá)自身的靜態(tài)精度。

3.2.4 設(shè)備安裝

先安裝無人機(jī)，展開機(jī)臂、固定卡扣，然后將雷達(dá)設(shè)備安裝與云臺上，再然后安放電池，最后再接通電源開機(jī)。一般新到一處地方，先要進(jìn)行無掛載飛行測試，確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定后才開始正常的掛載飛行，以保障飛行安全。

3.2.5 數(shù)據(jù)采集

設(shè)備開機(jī)后打開手持端采集軟件，設(shè)置好參數(shù)，點(diǎn)擊開始采集按鈕，設(shè)備即進(jìn)入采集狀態(tài)，通過軟件界面可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看各傳感器狀態(tài)是否正常，可查看數(shù)據(jù)是否正常記錄。

此時(shí)由飛控人員操作無人機(jī)即可。飛行方式有自動和手動兩種，一般平坦地區(qū)采用自動方式，按照既定的規(guī)劃線路自動飛行；如果是山區(qū)，地區(qū)起伏較大，一般使用人工手控方式進(jìn)行飛行，并且盡量在目測范圍之內(nèi)，以防止撞山。

3.2.6 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：使用GNSS/INS 處理軟件，將GNSS 數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行解算，生成高精度的軌跡數(shù)據(jù)，通過軟件提供窗口判斷軌跡質(zhì)量。

查看位置精度曲線圖，可以看到解算出的軌跡精度很高，在2cm 以內(nèi)。

（2）生成點(diǎn)云：采用自主研發(fā)的激光點(diǎn)云處理軟件，該軟件采用一鍵操作即可實(shí)現(xiàn)一鍵解析，最終得到LAS 格式激光點(diǎn)云，同時(shí)也對影像進(jìn)行同步處理。

3.3 精度驗(yàn)證

使用RTK 對地面的道路線、水井蓋、臺階等進(jìn)行測量點(diǎn)，共測20 個(gè)點(diǎn)，通過將點(diǎn)云提取的數(shù)據(jù)與RTK 測量的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)比對，進(jìn)行精度驗(yàn)證。平面坐標(biāo)對比信息及偏差統(tǒng)計(jì)見下。

通過對比分析，本次測試平面坐標(biāo)中誤差為4.6cm。

使用RTK 聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)，再結(jié)合RTK 自主打點(diǎn)，共31 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行高程對比。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找到對應(yīng)點(diǎn)位，提取高程值進(jìn)行對比。

對比成果如下表所示。

通過對比分析，本次測試高程中誤差4.2cm。

4 結(jié)語

通過上述案例可以看出，采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以滿足大比例尺地形測繪精度要求，在滿足精度的基礎(chǔ)上，激光雷達(dá)技術(shù)完成影像數(shù)據(jù)快速獲取，與傳統(tǒng)的航空攝影測量相比本文所用測量技術(shù)可廣泛采集地表數(shù)據(jù)，此種技術(shù)是繼GPS 測量技術(shù)之后又一項(xiàng)技術(shù)革新，是高精度逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)的革命,是進(jìn)行大區(qū)域空間探測的利器,是數(shù)字中國及各行業(yè)數(shù)字化的必由之路,將對電網(wǎng)、水利、交通、規(guī)劃、國土、礦山、海洋、氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、古跡保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。