新型機(jī)載激光雷達(dá)在地形測繪中的應(yīng)用研究

羅 勝 陳海佳 李景壇2,

（1.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510000；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430000；3.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430200）

0.引言

地表含有豐富的地理要素信息，這些信息可以為人類活動提供依據(jù)和指導(dǎo)。地形測繪可以獲取地表的位置和高程信息，并生成所需的測繪產(chǎn)品[1]。傳統(tǒng)地形測繪一般先采用經(jīng)緯儀、全站儀等儀器獲取地物的坐標(biāo)信息，再通過內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn)，該方法人工成本大、成果產(chǎn)出效率低。隨著數(shù)字時代的到來，激光雷達(dá)測量系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到了地形測繪任務(wù)中，其集成了三維掃描、同步控制、定位定姿等技術(shù)，作為一種新的手段，可以高效率、高精度地獲取地表的三維空間信息。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用需求的推動，國內(nèi)外已涌現(xiàn)出一大批致力于高精測繪領(lǐng)域的激光雷達(dá)廠商和產(chǎn)品，如，奧地利Riegl公司的VUX系列激光雷達(dá)、中海達(dá)公司的智喙系列激光雷達(dá)、北科天繪公司的云雀激光雷達(dá)等。目前廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的機(jī)載激光雷達(dá)產(chǎn)品的點(diǎn)頻一般在每秒50萬點(diǎn)左右，如，VUX-1UVA、Sky-Lar云雀等，測量距離主要為中低空測距，一般在1000m以下。這些激光雷達(dá)在地形測繪應(yīng)用中存在以下問題：（1）點(diǎn)云密度較低，會導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)域下的地面點(diǎn)數(shù)量較少，以致無法更精確地構(gòu)建地面模型，且建筑特征點(diǎn)如房角等位置可能缺少點(diǎn)云，在進(jìn)行DLG繪制時，需要通過擬合得到這些特征點(diǎn)，導(dǎo)致DLG的成圖精度降低；（2）激光測程較短，會導(dǎo)致在地形落差較大區(qū)域需劃分更多區(qū)塊完成采集作業(yè)，從而降低作業(yè)效率，且不同區(qū)塊的點(diǎn)云成果后期需要進(jìn)行拼接處理，拼接誤差也會影響點(diǎn)云的精度。

針對這些問題，具備超百萬高點(diǎn)頻、超千米長測距的新型激光雷達(dá)近幾年成為研發(fā)熱點(diǎn)，本文主要基于市場已有的新型激光雷達(dá)產(chǎn)品探討其在地形測繪中的應(yīng)用技術(shù)流程和優(yōu)勢。

1.關(guān)鍵技術(shù)及流程

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

新型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)的相同，都是采用主動測量的方式，系統(tǒng)通常搭載在各種飛行器上，比如，無人機(jī)、直升機(jī)等，由激光測距系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)等部分組成[2]，為獲取地表的地形和地物的三維信息提供了一種新的方式，具有自動化程度高、受天氣因素影響小、數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn)時間短、精度高等特點(diǎn)[3]。

在測距技術(shù)方面，由于脈沖測距儀可以發(fā)出很強(qiáng)的激光，測量距離遠(yuǎn)、測距能力強(qiáng)，因此，新型機(jī)載激光雷達(dá)也采用脈沖測距模式，其原理是用激光器向目標(biāo)發(fā)射光脈沖，光到達(dá)目標(biāo)后部分被反射，根據(jù)光從發(fā)出到返回接收機(jī)的時間，可以推算出測距儀和目標(biāo)之間的距離[4]，公式如式（1）、式（2）所示。得到距離信息后，再結(jié)合定位定姿系統(tǒng)測量飛機(jī)姿態(tài)和激光束的掃描角度，利用空間極坐標(biāo)計算目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

式（1）中，ρ為測距儀與目標(biāo)之間的幾何距離；t為激光束的往返時間；c為光速。式（2）中，Δρ為距離分辨率；Δt為測時分辨率；c為光速。

1.2 地形測繪技術(shù)流程

基于新型機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行地形測繪的技術(shù)流程（如圖1所示），主要包括飛行準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段和成果生產(chǎn)階段。

圖1 基于機(jī)載LiDAR的地形測繪工作流程圖

1.2.1 飛行準(zhǔn)備

飛行準(zhǔn)備階段包括航線規(guī)劃和基站布設(shè)兩部分工作。進(jìn)行航線規(guī)劃前需先收集測區(qū)的相關(guān)資料數(shù)據(jù)，并派遣技術(shù)人員實(shí)地勘察測區(qū)的情況。了解測區(qū)整體狀況后，準(zhǔn)備所需軟硬件設(shè)備，然后根據(jù)測區(qū)范圍設(shè)計飛行航線。航線設(shè)計時需考慮以下因素：（1）飛行速度和高度；（2）飛機(jī)的續(xù)航時間；（3）測區(qū)的地勢起伏；（4）航向與旁向重疊度等。

進(jìn)行基站布設(shè)時，一般將基站架設(shè)在空曠、無遮擋、無信號干擾的開闊區(qū)域的已知控制點(diǎn)上，以保證接收到良好的衛(wèi)星信號。為了防止某一個基站數(shù)據(jù)采集不正常，一般架設(shè)雙基站。測區(qū)條件無法架設(shè)基站時，可以采用CORS站的靜態(tài)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量與精度，測區(qū)應(yīng)處于基站或CORS站的覆蓋范圍內(nèi)。

新型機(jī)載激光雷達(dá)由于具備長測距的特性，因此可適用于落差起伏較大的山地區(qū)域，在進(jìn)行航線規(guī)劃時，可以減少作業(yè)區(qū)塊的劃分，進(jìn)而提升效率和精度。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集階段包括設(shè)備狀態(tài)檢查、飛行采集實(shí)施和原始數(shù)據(jù)質(zhì)檢三個部分工作。設(shè)備狀態(tài)檢查內(nèi)容通常包括安裝是否完整、設(shè)備之間連接是否無誤、存儲空間是否足夠等[5]。之后將設(shè)計好的航線導(dǎo)入飛控軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集過程中要全程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以保證整個飛行架次的安全。采集完成后得到各個傳感器的數(shù)據(jù)，包括激光測距數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、同步時間數(shù)據(jù)等。之后對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)檢，以判斷飛行范圍、關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否完整等，根據(jù)結(jié)果決策是否進(jìn)行補(bǔ)測或下一步工作。

1.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括軌跡解算、融合解算、數(shù)據(jù)質(zhì)檢等工作。軌跡解算的目的是得到高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)，其主要利用基站數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理和IE解算完成。該過程可通過專業(yè)軟件輔助完成解算，如，HGO數(shù)據(jù)處理軟件、Inertial Explorer軟件。融合解算的目的是將掃描系統(tǒng)采集的原始距離數(shù)據(jù)和軌跡解算得到的高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合處理，生成目標(biāo)地物的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)云文件，以便進(jìn)行后續(xù)點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類、點(diǎn)云渲染以及成果生產(chǎn)等。融合解算主要由數(shù)據(jù)融合軟件完成。數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)的合格性檢測工作，以確保后續(xù)成果的精度。

1.2.4 成果生產(chǎn)

地形測繪的產(chǎn)品成果包括但不限于4D產(chǎn)品，在測繪成果的生產(chǎn)方面，目前已有成熟的商業(yè)軟件可輔助內(nèi)業(yè)工作者完成產(chǎn)品生產(chǎn)。在進(jìn)行DOM生產(chǎn)時，通常包括影像檢查、刺控制點(diǎn)、空三加密、拼接分幅等關(guān)鍵步驟；DEM的生產(chǎn)相對更加自動化，首先人工干預(yù)精細(xì)分類以獲取準(zhǔn)確的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后基于地表點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過軟件自動生成DEM成果及等高線成果；DLG的生產(chǎn)需要投入較多的人工成本，一般在商業(yè)軟件中參照矢量圖標(biāo)準(zhǔn)用DOM表達(dá)出DLG數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)與分析

本文選取兩個測區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中，區(qū)域一地物要素齊全，通過與傳統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證新型激光雷達(dá)高點(diǎn)頻的優(yōu)勢；區(qū)域二地形落差較大，以驗(yàn)證新型激光雷達(dá)長測距的優(yōu)勢。

2.1 測區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)域一位于華中某平原區(qū)域，測區(qū)為平地地形，南北長度1.3km，東西長度1.2km，地勢起伏較小，測區(qū)內(nèi)高低最大落差不超過30m。該區(qū)域內(nèi)包含建筑、植被、道路、水系、農(nóng)田、裸土等豐富的地理要素。

實(shí)驗(yàn)區(qū)域二位于西北某高原區(qū)域，測區(qū)內(nèi)高低落差大于300m，面積為2.54km2，起飛海拔大于3300m。該區(qū)域包含山區(qū)、河流、植被和少量建筑。實(shí)驗(yàn)區(qū)域圖像（如圖2所示）：

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域圖

2.2 儀器設(shè)備

經(jīng)市場調(diào)研，目前常用的測繪型激光雷達(dá)中80%集成自RIEGL激光器，其中VUX-1UVA型號激光器在測繪領(lǐng)域較為常用，國內(nèi)集成該激光器的代表產(chǎn)品有中海達(dá)ARS1000、華測導(dǎo)航AS-900HL、南方測繪SZT-R1000、數(shù)字綠土LiAir 1000等產(chǎn)品。對于新型激光雷達(dá)產(chǎn)品，目前正朝著超千米測距、超百萬點(diǎn)頻方向發(fā)展，代表產(chǎn)品有RIEGL的VUX-120、VUX-240、中海達(dá)智喙PM-1500。本實(shí)驗(yàn)以同時滿足高點(diǎn)頻、長測距、重量輕等為主要選擇標(biāo)準(zhǔn)，同時考慮指標(biāo)參數(shù)、技術(shù)成熟度、系統(tǒng)集成度等因素，最終選取智喙PM-1500和ARS1000進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。設(shè)備主要參數(shù)（如表1所示）。此外，測區(qū)一無人機(jī)平臺選擇L150六旋翼無人機(jī)，測區(qū)二選擇蜂虎固定翼無人機(jī)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)表

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

實(shí)驗(yàn)采用的坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為大地高。測區(qū)一進(jìn)行智喙PM-1500與ARS1000的對比實(shí)驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，不同機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時采用的飛行航線和飛行參數(shù)相同，即飛行高度為90m，航線間距35m；測區(qū)二采用智喙PM-1500進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，飛行高度為300m，航線間距150m。

無人機(jī)的起降應(yīng)選擇空曠、無樹木和建筑遮擋、無雜草樹枝等易吹起物、地形平坦的區(qū)域，且起降時應(yīng)遠(yuǎn)離密集人群區(qū)域。智喙PM-1500機(jī)載測量系統(tǒng)在不同區(qū)域進(jìn)行空中作業(yè)的示意圖（如圖3所示）：

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)空中作業(yè)圖

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

2.4.1 評價指標(biāo)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)有十幾種，如，最大高程誤差、高程中誤差、平面位置中誤差、航帶誤差等，本文選取下列評價指標(biāo)進(jìn)行分析，下面對其進(jìn)行簡要說明：

（1）點(diǎn)云密度。點(diǎn)云密度用于描述單位面積上激光點(diǎn)的平均數(shù)量，可以用來評價點(diǎn)云質(zhì)量。

（2）高程中誤差。高程中誤差用于評價點(diǎn)云高程與其真實(shí)高程之間的差距，利用測區(qū)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行評定，公式如式（3）所示：

式（3）中，ZRMSE為高程中誤差；Zi為第i個驗(yàn)證激光點(diǎn)的內(nèi)插高程；n為驗(yàn)證點(diǎn)個數(shù)為第i個驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測高程。

（3）航帶誤差。航帶誤差用于評價相鄰航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置誤差，通過不同航帶重疊區(qū)域的點(diǎn)云進(jìn)行評定。公式如式（4）所示：

式（4）中，AXY為航帶誤差；AX為X方向航帶誤差；AY為Y方向航帶誤差。

（4）DLG平面標(biāo)準(zhǔn)差。DLG平面標(biāo)準(zhǔn)差用于評價點(diǎn)云的平面位置與真值之間的差別，利用測區(qū)驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行評定，公式如式（5）所示：

式（5）中，dxy為平面標(biāo)準(zhǔn)差；dx為X方向標(biāo)準(zhǔn)差；dy為Y方向標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4.2 測區(qū)一實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證相關(guān)指標(biāo)精度，前期在測區(qū)一均勻采集了29個高精度驗(yàn)證點(diǎn)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及成果生產(chǎn)后，通過專業(yè)處理軟件生成各指標(biāo)的誤差報告，得到各指標(biāo)的誤差（如表2所示）。橫向?qū)Ρ确治?，PM-1500的上述各項(xiàng)誤差均小于5cm，滿足1∶500比例尺測圖需求，ARS1000的平面標(biāo)準(zhǔn)差大于5cm；縱向?qū)Ρ确治?，PM-1500的高程和平面位置精度均優(yōu)于ARS1000，ARS1000的航帶誤差優(yōu)于PM1500的航帶誤差8mm，相差不大。通過上述分析：可以證實(shí)新型激光雷達(dá)可以提高點(diǎn)云高程和平面的精度。

表2 不同設(shè)備各項(xiàng)誤差對比表

兩個設(shè)備獲取的部分點(diǎn)云圖像（如圖4所示），可以直觀看出：整體上PM-1500的點(diǎn)云更密，且建筑關(guān)鍵特征位置和建筑立面上點(diǎn)云數(shù)量較多，地面上基本不存在空洞區(qū)域?qū)ㄖ⒌缆?、植被、去除植被類后的地表的點(diǎn)云密度進(jìn)行定量分析，選取不同設(shè)備獲取的點(diǎn)云圖像上同一區(qū)域的點(diǎn)云，計算選框內(nèi)的點(diǎn)云密度（如表3所示），顯然，PM-1500的點(diǎn)云密度是ARS1000的2倍以上。點(diǎn)云對比圖（如圖5所示）：

表3 不同地物要素同區(qū)域每平方米點(diǎn)云數(shù)量

圖4 不同激光雷達(dá)點(diǎn)云對比圖

圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)域一點(diǎn)云密度對比圖

按照技術(shù)流程進(jìn)行地形測繪成果的生產(chǎn)，部分DLG（如圖6所示），PM-1500獲取的房屋邊緣點(diǎn)數(shù)量較多且關(guān)鍵位置如房角等均有點(diǎn)云，相對來說ARS1000點(diǎn)云密度較低、特征位置缺少點(diǎn)云，在繪制房屋時依賴軟件的自動擬合功能，降低DLG的成圖精度。

圖6 DLG點(diǎn)密度對比

基于地表點(diǎn)云生成測區(qū)的DEM圖像，對比分析（如圖7所示）?；赑M-1500的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM地形細(xì)節(jié)更豐富，地面的微小起伏可以細(xì)致地表現(xiàn)出來，相對來說，基于ARS1000的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM圖像由于點(diǎn)云密度低，生成模型式需內(nèi)插高程點(diǎn)，使最終的DEM部分區(qū)域和真實(shí)地表有一定出入。

圖7 DEM對比

2.4.3 測區(qū)二實(shí)驗(yàn)分析

機(jī)載激光雷達(dá)飛行高度及測量距離之間的關(guān)系示意圖（如圖8所示），不考慮激光器發(fā)射功率、飛行安全距離等因素，在角度不變的情況下，機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)飛行高度和激光的測距能力成正比，即測量距離D越遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)的飛行高度H越大，在相對高差大的測區(qū)內(nèi)作業(yè)更有優(yōu)勢。同時，測量距離D越遠(yuǎn)，航帶寬度2L也會越大，單航帶測量覆蓋區(qū)域越大，可以有效提高作業(yè)效率。PM-1500的最大測距為1500m，顯然在地物反射率等外界因素影響相同的情況下，PM-1500在起伏落差大的測區(qū)內(nèi)效率更高。

圖8 激光雷達(dá)飛行高度示意圖

飛行高度計算公式如式（6）所示：

式（6）中，H為飛行高度；D為激光測量距離；θ為激光掃描角度的一半。

測區(qū)二為山地地形，落差超過300m。采用PM-1500設(shè)備單架次完成作業(yè)，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精度分析后得到高程誤差為9.1cm，滿足1∶2000測圖的精度要求。之后進(jìn)行地形測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，得到DEM和DLG（如圖9所示）：

圖9 實(shí)驗(yàn)區(qū)域地形測繪產(chǎn)品成果

3.結(jié)束語

本文基于機(jī)載激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù)，介紹了基于新型機(jī)載LiDAR在地形測繪中的應(yīng)用，主要包括以下內(nèi)容：

（1）梳理了基于機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行地形測繪應(yīng)用中的技術(shù)流程，包括飛行準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理階段和成果生產(chǎn)階段；

（2）通過在平坦區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比分析了傳統(tǒng)激光雷達(dá)和新型激光雷達(dá)在地形測繪應(yīng)用中的點(diǎn)云密度、各項(xiàng)誤差等，驗(yàn)證了新型激光雷達(dá)高點(diǎn)頻的優(yōu)勢，即高密度點(diǎn)云可以更加精確地選擇特征點(diǎn)與表達(dá)地表地形，進(jìn)而獲取更高精度的DLG和DEM產(chǎn)品；

（3）通過在山地區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新型激光雷達(dá)長測距的優(yōu)勢，即可以在地形起伏大的區(qū)域完成作業(yè)，且精度符合測圖需求。

總之，本文總結(jié)了地形測繪的技術(shù)流程，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型機(jī)載激光雷達(dá)高點(diǎn)頻、長測距、高精度等優(yōu)勢特點(diǎn)，可為行業(yè)同類應(yīng)用提供參考。