三維激光點云數(shù)據(jù)在1∶500地形圖成圖方面的應(yīng)用

郝立貞,趙 洴,葛亞建,汪 超,張偉偉

(1.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311100；2.諸暨市自然資源和規(guī)劃局，浙江 紹興 311899；3.浙江省國土勘測規(guī)劃有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

三維激光雷達(LiDAR)是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術(shù)。這項技術(shù)成為數(shù)字化時代下刻畫復(fù)雜現(xiàn)實世界最為直接和重要的三維地理空間數(shù)據(jù)獲取手段，在全球變化、智慧城市、全球制圖等國家重大需求和地球系統(tǒng)科學(xué)研究中起到十分重要的作用。在傳感器技術(shù)和國家需求的雙重驅(qū)動下，三維激光掃描在硬件裝備、三維點云數(shù)據(jù)處理以及應(yīng)用方面取得了巨大的進步。這使得三維激光點云數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，用于建筑物三維重建[1-3]、路燈提取[4]、電力巡線[5]、生物量估算[6]、土方量計算、樹高胸徑提取[7]、園林綠化提取[8]等各個領(lǐng)域，取得了良好的效果，大大提高了工作效率。

傳統(tǒng)地形圖成圖方式外業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，受天氣影響較大，高溫多雨季節(jié)外業(yè)測圖具有一定的危險性，存在難以到達的區(qū)域，且作業(yè)效率低。三維激光點云數(shù)據(jù)可以獲取地面物體高精度的三維坐標(biāo)、回波強度、回波次數(shù)、掃描方向角度等多種基礎(chǔ)屬性信息。還可以根據(jù)基礎(chǔ)屬性信息衍生出坡度、坡向、點密度和強度等信息[9]。這些優(yōu)勢為基于點云繪制地形圖提供了便利。本文以激光雷達點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)三維地形測圖。

1 三維激光點云處理

1.1 外業(yè)采集

在機載雷達掃描工作前對場地進行詳細的踏勘，了解測區(qū)的地形、交通情況，根據(jù)測區(qū)實際情況設(shè)計合理的航飛掃描路線和掃描時間，避免設(shè)備長時間高負荷工作，實現(xiàn)最高效、最經(jīng)濟、最精確地采集測區(qū)三維激光點云數(shù)據(jù)。

1.2 點云數(shù)據(jù)處理

1.2.1 重采樣

三維激光掃描數(shù)據(jù)具有采集速度快、采樣頻率高的優(yōu)勢，但這也導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)具有高冗余的缺陷。因此需要對點云進行重采樣，重采樣的方法有4種比較常用，分別為曲率采樣、柵格采樣、統(tǒng)一采樣和隨機采樣。根據(jù)工程項目的需要選擇其中一種方法，經(jīng)重采樣后的點云更加精簡，使用效率更高。

1.2.2 去噪

由于激光儀在點云數(shù)據(jù)采集時測區(qū)環(huán)境復(fù)雜，尤其存在施工區(qū)域時，施工機械的運動、人員走動、樹木、建筑物遮擋、施工浮塵及掃描目標(biāo)本身反射性的不均勻等影響，將會造成掃描獲取的點云數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定點和噪音點。這些噪點對作業(yè)過程產(chǎn)生一定的影響，需人機交互方式去除噪點。

1.2.3 拼接

點云拼接是將多站掃描點云數(shù)據(jù)拼接到統(tǒng)一坐標(biāo)系中的過程。被拼接的數(shù)據(jù)是由每一站掃描的整個項目的數(shù)據(jù)，雖然在掃描過程中一條航線上每站數(shù)據(jù)會根據(jù)儀器自帶的拼接功能完成初始拼接，但測區(qū)范圍較大，需分多航帶采集數(shù)據(jù)，幾條掃描航帶上的相鄰站點間隔較長時間和隔了較多站點，慣導(dǎo)系統(tǒng)無法完成自動拼接，需要手動將每一條掃描航線上采集的點云數(shù)據(jù)拼接到一起。同時要檢查每相鄰兩站之間儀器自動拼接的是否有誤差，調(diào)整誤差較大的相鄰站點的點云數(shù)據(jù)。

1.2.4 著色

由于激光點云及其強度信息對掃描地物的反映能力有限，需要將采集的測區(qū)點云與同步采集的影像數(shù)據(jù)進行精確配準(zhǔn)，使得點云不僅具有高精度的三維坐標(biāo)信息，也具有更加豐富的光譜信息。

2 基于點云的地形圖成圖

在三維模式顯示下，點云可清晰的反映地表的高低起伏狀態(tài)。通過點云的多模式(真彩色、二值、強度)顯示及匹配的同步影像數(shù)據(jù)輔助要素的判別。如圖1所示，真彩色渲染模式下，點云可清晰的反應(yīng)采集地物的狀態(tài)，在植被覆蓋度不高的地方，部分地物在此模式下可直接采集。在采集房屋等與地表存在高差的地物時，高程渲染模式具有更好的顯示效果。

圖1 點云反映的地表形態(tài)

在三維立體模式下，按照地形圖成圖要求，對測區(qū)的地形數(shù)據(jù)進行采集。一般先采集線狀地物，如河流、道路等。此類地物與周圍其他地物的區(qū)分較明顯，采集相對容易。在地表植被覆蓋較多的地區(qū)，需將點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，提取出地面點云，減少植被對數(shù)據(jù)采集的干擾。對于地表植被的認定僅應(yīng)用點云數(shù)據(jù)存在困難，內(nèi)業(yè)先把地類邊界線位置劃定，具體地類需外業(yè)進行巡視確認。對于高于地表的建筑物、管線等地物的采集，是點云的優(yōu)勢所在。真彩色模式下的點云在反映管線地物時，由于管線地物較細，導(dǎo)致在此渲染方式下采集此類地物存在一定困難。在高程渲染模式下，與地表有高差的地物可清晰反映出來，在采集管線等地物時具有很大的優(yōu)勢。如圖2所示，在高程渲染模式下，可清晰地分辨出建筑物的細節(jié)及管線的性質(zhì)。

圖2 點云反映的地表建筑物及管線

山區(qū)地形最直觀的表現(xiàn)就是等高線，將三維激光點云數(shù)據(jù)濾波，生成山區(qū)地面點，用地面點數(shù)據(jù)生成高程點，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)，生成等高線(圖3)。可根據(jù)工作需要選擇5 m、10 m、15 m等不同采樣密度的高程點，選擇成圖理想的等高線。

圖3 利用高程點構(gòu)建三角網(wǎng)生成等高線

由于三維激光點云數(shù)據(jù)采集的地物為全要素地物，在植被覆蓋度高的地方，僅僅依靠激光點云采集的地形圖會存在地物缺失的情況，因此將基于點云繪制的地形圖輸出紙質(zhì)圖紙，實地進行巡查、調(diào)繪，對因遮擋導(dǎo)致漏采集、錯采集的區(qū)域采用 RTK、全站儀進行補測。

3 精度分析

為了驗證三維激光點云繪圖的平面精度和高程精度，選取了106個點用于三維精度分析，對這些檢核點進行外業(yè)RTK打點確認實際三維坐標(biāo)，與內(nèi)業(yè)點云采集的三維坐標(biāo)進行對比分析。具體統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 三維精度統(tǒng)計表

由表1可知，對于平面中誤差，一類地物點和二類地物點精度較高，原因是這類地物點主要是建筑物拐點，為了采集到建筑物4個面的完整點云數(shù)據(jù)，對這些地區(qū)進行了多角度的采集，點云密度較其他地方密度高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集精度高。而三類地物有很多受植被覆蓋的影響，內(nèi)業(yè)采集精度較低。而高程中誤差則不受地物類別的影響。經(jīng)統(tǒng)計分析，基于點云的1∶500地形圖采集平面中誤差為0.077 212 m，高程中誤差為0.030 868 m。滿足1∶500地形圖采集精度要求。

4 結(jié) 語

經(jīng)統(tǒng)計分析，基于三維激光點云進行1∶500地形圖測圖精度滿足要求。但在實際應(yīng)用中還存在一定的困難：① 機載雷達采集的建筑物點云密度不夠，需多次多角度掃描才能將建筑物各角度特征掃描完整，這在一定程度上降低了工作效率；② 在植被密集地區(qū)，植被對地表地物的遮擋較嚴(yán)重，單依靠三維激光點云數(shù)據(jù)采集地物結(jié)果不理想，需補充外業(yè)采集。綜上所述，如何做好航線規(guī)劃，使外業(yè)采集的三維激光點云數(shù)據(jù)完整的反映建筑物信息，及如何提高植被茂密地區(qū)點云數(shù)據(jù)的利用效率是亟待解決的問題。即使存在這些問題，但三維激光點云數(shù)據(jù)在測繪行業(yè)仍然有廣闊的應(yīng)用前景。