美國三維高程計(jì)劃（3DEP）實(shí)施情況及啟示

程曉光，熊 彪

1.飛燕航空遙感技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210002；

2.武漢理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430073

0 引 言

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）集成了激光發(fā)射器/接收器、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性測量單元等多個傳感器，可以高效獲取地形和三維空間數(shù)據(jù)[1]，數(shù)據(jù)主要表達(dá)為點(diǎn)云，可以生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字線劃圖（DLG）等產(chǎn)品，已成為中國及世界大范圍陸地地形測繪的主要手段。

世界上一些國家已經(jīng)開展了在全境范圍內(nèi)采集LiDAR數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，典型例子包括荷蘭最新海拔數(shù)據(jù)項(xiàng)目（AHN）[2]、波蘭針對國家特殊威脅的信息系統(tǒng)（ISOK）[3]、美國三維高程計(jì)劃（3DEP）[4]等。此外，西班牙[5]、英國[6]、丹麥[7]、芬蘭[8]、捷克[9]、斯洛文尼亞[10]等國提供了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)或產(chǎn)品供公眾下載。鑒于美國和中國面積接近，且3DEP已開展數(shù)年，取得良好效益，所以3DEP對中國的參考意義較大。目前，中國國內(nèi)對3DEP的介紹資料還很少[11]。本文對3DEP實(shí)施情況做了系統(tǒng)介紹，給出了3DEP對中國機(jī)載LiDAR發(fā)展的啟示及對在中國開展全國范圍的機(jī)載LiDAR測繪的建議。

1 3DEP項(xiàng)目

1.1 簡 介

3DEP是由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）國家地理空間計(jì)劃（NGP）管理的一個獲取三維空間數(shù)據(jù)的國家項(xiàng)目，目標(biāo)是到2023年底獲取全面覆蓋美國本土、夏威夷和美國屬地的2級質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)以及覆蓋阿拉斯加的干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）數(shù)據(jù)，以支撐政府、非政府組織和公司實(shí)體的決策和運(yùn)營活動[12]。

1.2 背 景

在防災(zāi)減災(zāi)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、國家安全等眾多領(lǐng)域，美國對高精度、高分辨率的地形和三維空間數(shù)據(jù)的需求在不斷增長。然而，美國最主要的高程數(shù)據(jù)集——國家高程數(shù)據(jù)（NED）的精度、分辨率和現(xiàn)勢性不能充分滿足需求，很多數(shù)據(jù)是二十世紀(jì)六七十年代獲取的[12-13]。

在3DEP項(xiàng)目啟動之前，美國多個聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)，包括USGS、自然資源保護(hù)局（NRCS）、國家海洋和大氣管理局（NOAA）、國家地理空間情報局（NGA）、聯(lián)邦應(yīng)急管理局（FEMA）、美國陸軍工程兵團(tuán)（USACE）等投資了大量LiDAR數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目[14]。各州或已完成全州范圍的LiDAR測繪，或正積極規(guī)劃LiDAR項(xiàng)目[14]。但是，這些項(xiàng)目往往缺乏聯(lián)邦層面的協(xié)調(diào)規(guī)劃，導(dǎo)致對一些區(qū)域重復(fù)采集，而對大片區(qū)域覆蓋不全等問題。此外，不同項(xiàng)目的測繪標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在不一致性，從而對跨項(xiàng)目測區(qū)的分析造成不利影響[15]。

1.3 NEEA

2011年，USGS和 NGA、FEMA、NRCS、NOAA等委托專業(yè)高程數(shù)據(jù)服務(wù)公司Dewberry進(jìn)行國家增強(qiáng)高程評估（NEEA），以分析國家增強(qiáng)高程數(shù)據(jù)（分辨率和精度更高的高程數(shù)據(jù)）的商業(yè)使用需求，估算滿足這些需求的成本和收益，并評估多個國家增強(qiáng)高程數(shù)據(jù)采集方案[15]。

NEEA搜集了聯(lián)邦、州和地方政府機(jī)構(gòu)、部落辦事處以及私人和非營利組織在27個領(lǐng)域的高程數(shù)據(jù)需求，包括數(shù)據(jù)精度、更新周期和覆蓋范圍等，共覆蓋聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的104項(xiàng)職能活動、州和屬地的329項(xiàng)職能活動、地方政府和部落的144項(xiàng)職能活動、非營利性公司和私營公司的25項(xiàng)職能活動，還搜集了各機(jī)構(gòu)認(rèn)為增強(qiáng)高程數(shù)據(jù)能帶來的經(jīng)濟(jì)收益[14]。

2012年3月，Dewberry提交了最終版評估報告[14]。評估結(jié)果表明，對所有27個領(lǐng)域，如果它們對增強(qiáng)高程數(shù)據(jù)的需求全部得到滿足，則保守收益可達(dá)11.802億美元/年，潛在收益可達(dá)129.807億美元/年[14]。收益最大的10個領(lǐng)域可見表1。

表1的10個領(lǐng)域中，部分領(lǐng)域LiDAR應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，年收益較高，如洪水風(fēng)險管理、基礎(chǔ)設(shè)施和建筑管理等。但是隨著LiDAR數(shù)據(jù)的普及和其他技術(shù)的發(fā)展，LiDAR的優(yōu)勢也將在其他一些領(lǐng)域（不限于表1）得到充分體現(xiàn)，如雖然陸地導(dǎo)航和安全領(lǐng)域的保守估計(jì)年收益較低，但潛在收益達(dá)70億美元/年[14-15]。

表1 從增強(qiáng)國家高程數(shù)據(jù)中收益最大（基于保守估計(jì)年收益）的10個領(lǐng)域（引自文獻(xiàn)[14]表1.3）Tab.1 Top 10 business use benefited most (based on conservative benefits) from enhanced elevation data (citing Table 1.3 of literature [14])

NEEA評估了8個在全美范圍內(nèi)以不同質(zhì)量水平和更新周期采集高程數(shù)據(jù)的候選方案?？紤]到信息技術(shù)投入，采集周期為8年，對美國本土、夏威夷和美國屬地采集2級質(zhì)量水平（激光脈沖密度為2點(diǎn)/m2，高程均方根誤差為9.25 cm，可生產(chǎn)1 m分辨率DEM）的LiDAR數(shù)據(jù)，對阿拉斯加采集5級質(zhì)量水平（5 m分辨率，高程均方根誤差為92.7～185.0 cm）的InSAR數(shù)據(jù)的方案的效益成本比高達(dá)4.713:1，平均年凈收益達(dá)5.435億美元，可以獲得58.5%的潛在收益[14]。

效益成本分析表明，相比聯(lián)邦政府、州政府和非政府組織獨(dú)立采集數(shù)據(jù)的情況，如果三者協(xié)同采集數(shù)據(jù)，則年收益更高（10.080億美元對8.910億美元），成本更低（2.132億美元對2.894億美元），年凈收益更高（7.948億美元對6.016億美元）[14]。

1.4 執(zhí)行過程

基于NEEA的評估結(jié)果，國家數(shù)字高程計(jì)劃（NDEP）委員會及其12個聯(lián)邦成員機(jī)構(gòu)建議對美國本土、夏威夷和屬地以8年為周期采集2級質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)[12]。由于阿拉斯加特殊的氣象條件（多云多霧）和地形，不適合對其全境進(jìn)行LiDAR數(shù)據(jù)采集[14]，因而使用InSAR采集5級質(zhì)量水平的數(shù)據(jù)。

2013年5月3DEP執(zhí)行論壇成立[12-13]。此外，NDEP還成立了多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)委員會來協(xié)調(diào)3DEP的實(shí)施[12]。2014年，USGS發(fā)出了3DEP倡議[12]。3DEP的預(yù)計(jì)完成時間是2023年年底[16]。

3DEP由USGS牽頭，各州和地方機(jī)構(gòu)以及非政府組織可以通過USGS每年發(fā)布的《廣泛代理商公告》（Broad Agency Announcement）競爭申請聯(lián)邦配套資金以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。此外，3DEP參與者還可以相互合作來節(jié)省成本。目前，3DEP的合作伙伴超過260個，包括18個聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和249個州和地方政府[17]。私營企業(yè)與政府簽訂合同，采集數(shù)據(jù)并提供技術(shù)解決方案。從2015財(cái)年到2019財(cái)年，3DEP在數(shù)據(jù)采集方面的投資持續(xù)增長，從0.463億美元增長到1.368億美元[1]。3DEP的成本中，30%由USGS負(fù)擔(dān)，用于數(shù)據(jù)采集、處理和管理，66%由合作伙伴負(fù)擔(dān)，用于數(shù)據(jù)采集，其余4%來自災(zāi)害補(bǔ)充撥款[1]。

3DEP對LiDAR數(shù)據(jù)采集、處理、交付和DEM生產(chǎn)做出了規(guī)定，形成了LiDAR基礎(chǔ)規(guī)范（LBS），2012年推出LBS 1.0版[18]，最新版是2020 rev. A版[19]。

3DEP的第一個生產(chǎn)全年是2016年[1]。3DEP已在全美范圍內(nèi)獲取了超過518萬km2的數(shù)據(jù)[1]。截至2021財(cái)年，全美約80%的可用或采集中的LiDAR數(shù)據(jù)符合3DEP要求（圖1）。

圖1 截至2021財(cái)年，符合3DEP質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)覆蓋情況[1]Fig.1 Status of 3DEP quality data by fiscal year 2021[1]

1.5 數(shù)據(jù)共享

2014年底，首批3DEP數(shù)據(jù)集向公眾發(fā)布[16]。2015年，3DEP開始向合作伙伴和公眾提供產(chǎn)品和服務(wù)[1]。3DEP通過國家地圖[20]免費(fèi)提供數(shù)據(jù)下載（https://viewer.nationalmap.gov/basic/），數(shù)據(jù)無使用限制。

在國家地圖上可供下載的3DEP數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括：源數(shù)據(jù)產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)DEM和3DEP元數(shù)據(jù)[21]。源數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括LiDAR點(diǎn)云（圖2）、原始分辨率DEM，以及InSAR生成的其他類型數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)DEM產(chǎn)品中，有1 m、1/9弧秒（已停止更新）、5 m、1/3弧秒、1弧秒、2弧秒這幾種分辨率的數(shù)據(jù)可供下載，其中1/3弧秒、1弧秒和2弧秒分辨率的DEM無縫覆蓋美國，而其他幾種分辨率的DEM只在某些項(xiàng)目的成果中有。5 m分辨率的DEM僅分布在阿拉斯加，由InSAR生成。1 m分辨率DEM覆蓋范圍有限（圖3），但隨著3DEP的推進(jìn)，該數(shù)據(jù)集不斷得到擴(kuò)展。

圖2 3DEP已分類點(diǎn)云分布圖[1]Fig.2 Availability map of classified point clouds in 3DEP[1]

圖3 3DEP 1 m分辨率DEM分布圖[1]Fig.3 Availability map of 1-meter resolution DEM in 3DEP[1]

3DEP產(chǎn)品使用聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會（FGDC）制定的地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄[1]。早先3DEP供下載的數(shù)據(jù)格式包括LAS、ArcGRID、GridFloat、Img、Tiff等[21]。為了提供高效、開放、適用于云計(jì)算的數(shù)據(jù)格式，NGP在2018財(cái)年將點(diǎn)云改為以LAZ格式進(jìn)行分發(fā)[22]，在2020財(cái)年上半年將DEM改為以云優(yōu)化Geotiff（Cloud Optimized GeoTiff）的格式進(jìn)行分發(fā)[23]。

1.6 應(yīng) 用

3DEP數(shù)據(jù)已在防洪減災(zāi)[24-27]、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[4,28]、森林野火防治[29]、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[30]、地質(zhì)災(zāi)害識別評估[31]、礦物勘探[32-33]、能源[34]等領(lǐng)域得到應(yīng)用，具體例子有：

1）北卡羅來納州通過3DEP數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水制圖，計(jì)算河流水量，確定洪水流向，識別易淹區(qū)域[35]。

2）俄亥俄州交通部將3DEP數(shù)據(jù)用于道路施工分析，減少野外調(diào)查工作量[29]。

3）在2018年肆虐加利福尼亞州南部的森林野火之后，USGS承包商Woolpert通過與3DEP簽訂的合同，收集、處理和交付了約24605 km2的LiDAR數(shù)據(jù)，制作燃料分布地圖，評估地質(zhì)災(zāi)害隱患[36]。

4）3DEP和USGS的地球資源制圖倡議（Earth MRI）協(xié)作采集內(nèi)華達(dá)州西部的機(jī)載LiDAR和地球物理數(shù)據(jù)，用于鋰、稀土、地?zé)岬荣Y源的勘探[32-33]。

5）USGS等利用3DEP數(shù)據(jù)估計(jì)密蘇里州東南部鉛鋅礦廢物堆積物的體積以及殘余微量金屬的含量[37]。

6）在水文水利上，F(xiàn)EMA發(fā)布了利用3DEP數(shù)據(jù)進(jìn)行洪水風(fēng)險分析和制圖的指導(dǎo)文件[38]；USGS發(fā)布了從高程數(shù)據(jù)導(dǎo)出水文數(shù)據(jù)的規(guī)范[39]，用于更新國家水文數(shù)據(jù)集[17]。

1.7 挑 戰(zhàn)

3DEP面臨的主要挑戰(zhàn)是經(jīng)費(fèi)。例如，美國西部地廣人稀，大量土地歸聯(lián)邦政府所有[35]，州和地方政府不能提供足夠配套資金[17]。此外，對高質(zhì)量水平的LiDAR數(shù)據(jù)的需求增加[1]，導(dǎo)致采集成本上升。

1.8 未來展望

USGS認(rèn)為3DEP的未來發(fā)展方向包括[17]：與NOAA合作開展近岸和近海水深測量研究；當(dāng)3DEP第一輪數(shù)據(jù)采集完成，獲得基線點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，開展點(diǎn)云變化檢測研究；評估新技術(shù)對用戶需求的滿足程度，確定哪種質(zhì)量水平可以滿足用戶需求；使用多種平臺獲取LiDAR數(shù)據(jù)。

2 3DEP啟示

目前中國在三維空間數(shù)據(jù)需求和獲取上面臨和美國類似的問題。很多行業(yè)對高分辨率、高精度三維空間數(shù)據(jù)的需求越來越大。相比USGS關(guān)注的領(lǐng)域，中國在城市規(guī)劃、數(shù)字城市、農(nóng)田房屋確權(quán)、無人駕駛、三維實(shí)景導(dǎo)航等領(lǐng)域?qū)iDAR數(shù)據(jù)也有很大需求。對它們來說，三維空間數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和重要支撐，可以被視為一種基礎(chǔ)設(shè)施。但中國目前缺乏全國范圍的高分辨率點(diǎn)云和DEM、DSM等。雖然很多政府部門、企事業(yè)單位在各地開展了機(jī)載LiDAR的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品生產(chǎn)工作，但是總體來說，各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和數(shù)據(jù)共享，導(dǎo)致有的地區(qū)重復(fù)采集資金浪費(fèi)、有的地區(qū)無數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。針對上述問題，3DEP提供了如下啟示：

1）各級政府和企事業(yè)單位應(yīng)協(xié)調(diào)采集數(shù)據(jù)，避免單打獨(dú)斗，以降低成本，提高收益。

2）選擇合適的數(shù)據(jù)更新周期，在成本和數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性之間取得平衡。

3）應(yīng)制定明確的數(shù)據(jù)采集處理標(biāo)準(zhǔn)，獲得質(zhì)量統(tǒng)一的產(chǎn)品。

4）LiDAR數(shù)據(jù)采集應(yīng)盡量單次獲取大面積數(shù)據(jù)，降低單位面積成本。

5）建立LiDAR數(shù)據(jù)共享機(jī)制，避免為了采集而采集，避免重復(fù)采集。使用公共財(cái)政預(yù)算采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡量向公眾公開，一次采集，多次使用。

6）應(yīng)盡量共享點(diǎn)云。點(diǎn)云蘊(yùn)含了豐富的三維空間信息，DEM、DSM等只表達(dá)了點(diǎn)云信息中的一小部分[13]。共享點(diǎn)云允許各領(lǐng)域用戶對點(diǎn)云進(jìn)行更深入的信息挖掘，以支撐業(yè)務(wù)生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，LiDAR數(shù)據(jù)的需求會越來越大，而獲取成本會逐步降低。為了滿足中國各行業(yè)對空間數(shù)據(jù)的需求，助力新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，筆者建議像3DEP一樣，建立領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，由國家政府部門牽頭，組織國家、省、市各相關(guān)部門和企事業(yè)單位進(jìn)行合作，梳理各行業(yè)對三維空間數(shù)據(jù)的需求，整合現(xiàn)有LiDAR數(shù)據(jù)，進(jìn)行全國范圍的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)，制作分類點(diǎn)云和DEM、DSM等產(chǎn)品，建立數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，進(jìn)行有條件的共享，支撐各行業(yè)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)采集中，可以主要按2點(diǎn)/m2進(jìn)行大范圍采集，對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，可提高到10點(diǎn)/m2以上。在有條件的情況下，對森林等區(qū)域采集全波形數(shù)據(jù)?？紤]到中國建設(shè)發(fā)展速度較快，4～5年的采集周期可能更為合適。