機(jī)載LiDAR技術(shù)在福建省基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用研究

羅 杰

（福建省測繪院，福建 福州 350003）

0.引言

機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡稱Li－DAR）技術(shù)是目前很受歡迎的低成本獲取高精度數(shù)字表面模型（DSM）或數(shù)字高程模型（DEM）的一項(xiàng)高新技術(shù)，具有不受晝夜限制、天氣影響很小、獲取數(shù)據(jù)精度高、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的外業(yè)成本及后處理成本顯著降低的優(yōu)點(diǎn)[1]。鑒于機(jī)載LiDAR技術(shù)在獲取地面三維數(shù)據(jù)方面的顯著優(yōu)勢，近年來，部分省份如江蘇、浙江、寧夏、吉林等，先后開展了利用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)高精度省級基礎(chǔ)測繪DEM產(chǎn)品的應(yīng)用研究，取得了豐富的成果。文獻(xiàn)[2]對DEM生產(chǎn)中架空地物、低矮作物覆蓋的田塊、連片池塘等要素的地面點(diǎn)云精處理方法進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[3]介紹了利用參考影像配合點(diǎn)云數(shù)據(jù)以確定被作物或林木覆蓋的耕地、林地范圍，通過對作物或林木實(shí)現(xiàn)降高程操作，獲得耕地、林地地塊的高精度高程；并進(jìn)行了外業(yè)打點(diǎn)精度驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]則敘述了點(diǎn)云數(shù)據(jù)中建筑物、河流水面、道路隔離帶和山邊房屋等若干問題的處理方法。文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]總結(jié)了基于LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)DEM的技術(shù)方法和流程。這些研究解決了基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM過程中多數(shù)會遇到的關(guān)鍵問題。

福建省也是國內(nèi)較早在省級基礎(chǔ)測繪中開展LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理研究的省份之一，早在2013年即開始對全省實(shí)施LiDAR數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)目，至2019年實(shí)現(xiàn)了LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全省覆蓋獲取，并將獲取到的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于制作高精度省級基礎(chǔ)測繪DEM。在此期間，福建省也逐漸積累了一些具有自身區(qū)域特點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)。下面結(jié)合福建省的DEM生產(chǎn)實(shí)踐，闡述相關(guān)研究體會。

1.研究區(qū)概況及點(diǎn)云數(shù)據(jù)基本情況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為我國東南沿海的福建省，包括陸地、主要的大島嶼和沿海灘涂，總面積約12.4萬平方千米。研究區(qū)主要有以下幾個特點(diǎn)：（1）福建省號稱“八山一水一分田”，以丘陵和山地為主，且地形起伏變化十分細(xì)碎；而全省海拔80米以下的平原臺地僅占總面積的10%左右，集中在沿海一帶；（2）區(qū)域內(nèi)植被茂密，森林覆蓋率全國第一，高達(dá)66.8%；（3）水系較豐富，雖然河網(wǎng)密度僅0.1千米/平方千米左右，但狹長細(xì)小的溪流數(shù)量眾多，水位落差大，水電資源豐富；坑塘、小水庫及其堤壩都很多，面積不大且零散分布；（4）作為沿海省份，海岸線漫長，擁有眾多的海堤和灘涂。以上這些特點(diǎn)，導(dǎo)致福建省與其他省份相比，對數(shù)據(jù)處理的思路有所差異。研究區(qū)范圍及位置示意圖如圖1所示。

圖1研究區(qū)范圍及位置示意圖

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)基本情況

福建省獲取的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其點(diǎn)間平均間距小于2米，點(diǎn)云密度大于1點(diǎn)/平方米，同期還獲取了地面分辨率優(yōu)于0.5米的數(shù)碼航攝影像、機(jī)載GPS/IMU數(shù)據(jù)和檢校數(shù)據(jù)。

2.基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的生產(chǎn)流程

2.1 生產(chǎn)流程

DEM生產(chǎn)主要包括兩項(xiàng)工作內(nèi)容：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和DEM制作[7]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)航攝獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需先經(jīng)過航帶拼接和平差，形成成片區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，得到基礎(chǔ)測繪規(guī)定坐標(biāo)系下的點(diǎn)云成果；然后進(jìn)行點(diǎn)云分類，提取出點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)。

DEM制作：對地面點(diǎn)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)加工處理，再生成DEM。

生產(chǎn)流程圖如圖2所示。

圖2生產(chǎn)流程圖

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.2.1航帶拼接和平差

導(dǎo)入相鄰航帶的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對重疊區(qū)域進(jìn)行接邊檢查。小于限差的可以進(jìn)入下一道工序；大于限差的，應(yīng)先進(jìn)行航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的接邊平差處理，使重疊區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程值趨于一致，再進(jìn)行拼接。接邊平差解算采用TerraMatch軟件處理（或采用架構(gòu)航線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行改正）。考慮到點(diǎn)云數(shù)據(jù)為高精度數(shù)據(jù)，根據(jù)CH/T 8024《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，取平地點(diǎn)云高程中誤差（0.35米）為接邊限差[8]。

2.2.2坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常采用的是WGS84坐標(biāo)，而基礎(chǔ)測繪成果要求是2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000）。因此需先進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各測點(diǎn)的CGCS 2000坐標(biāo)系三維坐標(biāo)，再以福建省似大地水準(zhǔn)面精化成果對點(diǎn)云進(jìn)行高程改算，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的CGCS 2000大地高轉(zhuǎn)換為1985國家高程基準(zhǔn)的正常高，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的85高程。

2.2.3數(shù)據(jù)分塊

航帶拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，不便于計算機(jī)處理和生產(chǎn)任務(wù)分配，因此對接邊好的條帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行分塊，一般按矩形切塊，每個數(shù)據(jù)塊作為軟件處理的一個單元。數(shù)據(jù)塊的大小主要基于計算機(jī)性能，并兼顧生產(chǎn)上的任務(wù)分配。

2.2.4點(diǎn)云分類

點(diǎn)云分類的目的是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)進(jìn)行分離。點(diǎn)云分類包括粗分類和精細(xì)分類。

粗分類是利用Terra Scan軟件批量對點(diǎn)云進(jìn)行整體粗分處理。作業(yè)時，首先根據(jù)地形地貌特點(diǎn)，提取初始地面并設(shè)定迭代閾值，調(diào)制出點(diǎn)云粗分類宏命令，通過反復(fù)試驗(yàn)、對比檢查和調(diào)整設(shè)定，直至整體粗分結(jié)果達(dá)到較滿意的效果。為了降低后期精細(xì)分類的人工編輯工作量，在開始精細(xì)分類工序之前，還要利用Terra Scan軟件對整體粗分結(jié)果制作點(diǎn)云高程暈渲圖，檢查粗分類效果。對分類效果較差的較大區(qū)域，圈出該區(qū)域，還原到未分類狀態(tài)，分析區(qū)域內(nèi)地形地貌特點(diǎn)，并根據(jù)分析結(jié)果重新調(diào)制參數(shù)對該區(qū)域點(diǎn)云進(jìn)行局部粗分。重復(fù)該過程直至任務(wù)區(qū)內(nèi)所有的局部粗分均達(dá)到較滿意效果為止。

精細(xì)分類是利用Terra Scan或LiDAR-DP軟件中的各種手工分類工具，對粗分類錯誤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過調(diào)制參數(shù)和人工編輯的方式，重新進(jìn)行分類，以修正點(diǎn)云粗分類錯誤。精細(xì)分類階段的調(diào)制參數(shù)針對性更強(qiáng)、區(qū)域范圍更小，通過對建筑區(qū)、耕地、亂掘山地、沿海養(yǎng)殖坑塘等區(qū)域設(shè)置不同的閾值參數(shù)，再結(jié)合人工編輯，更為精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)分離。

2.3 DEM制作

2.3.1地面點(diǎn)數(shù)據(jù)處理

精細(xì)分類之后得到的地面點(diǎn)還不能直接用于生成DEM，因?yàn)榇嬖跀?shù)據(jù)空白區(qū)或存在架空地物等，還需要進(jìn)行進(jìn)一步精加工（如，濾除架空地物點(diǎn)，補(bǔ)充特征點(diǎn)、線等），之后才能用于生成DEM。

2.3.2DEM生成

利用地面點(diǎn)處理后得到的數(shù)據(jù)集構(gòu)TIN生成DEM，并按標(biāo)準(zhǔn)圖幅外擴(kuò)一定范圍裁切，再經(jīng)過接邊處理，生成福建省基礎(chǔ)測繪所要求的分幅DEM成果。

3.研究區(qū)生產(chǎn)特點(diǎn)和成果分析

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理階段

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面，福建省主要生產(chǎn)特點(diǎn)是精細(xì)分類階段的處理需要更加精細(xì)。

精細(xì)分類階段的任務(wù)是對粗分類錯誤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新正確分類。粗分類錯誤的點(diǎn)云可通過以下操作尋找發(fā)現(xiàn)：

（1）用粗分類結(jié)果制作點(diǎn)云高程暈渲圖，檢查是否有突變。

（2）引入同期航攝影像作為參考，檢查是否存在粗分類異常。

（3）基于暈渲圖或同期航攝影像檢查情況，在可疑區(qū)域截取點(diǎn)云斷面，目視檢查確認(rèn)是否存在粗分類錯誤。

這些操作目前都依賴于人工處理。在這種模式下，人工處理的精細(xì)度，取決于植被覆蓋率、地形變化的成片及連續(xù)程度；植被覆蓋率越高，地形變化越是褶皺、越是零碎不連續(xù)成片，人工處理需要截取的斷面數(shù)量就越多，對渲染圖的人工分析精細(xì)程度就越高。

福建省恰恰是以丘陵地和山地為主，森林覆蓋率極高，植被茂密，地形又十分細(xì)膩零碎的區(qū)域，這些區(qū)域特點(diǎn)給精細(xì)分類作業(yè)帶來極大麻煩。以點(diǎn)云斷面截取為例，地形零碎區(qū)域常常要按DEM格網(wǎng)間距或格網(wǎng)間距一半進(jìn)行斷面截取。根據(jù)福建省點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)，精細(xì)分類是整個項(xiàng)目中耗時最多、投入人員最多的工序。據(jù)粗略統(tǒng)計，精細(xì)分類所耗費(fèi)時間約占整個作業(yè)時間的80%。而從其他省份研究情況看，僅占三分之二左右時間[2]。

3.2 DEM制作階段

文獻(xiàn)[2]—文獻(xiàn)[6]已對架空地物、建筑物、河流水面、低矮植被等地面點(diǎn)數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵問題提出了有效解決方案，本文不再贅述。以下僅對上述文獻(xiàn)沒有論述或尚未深入討論，但在福建省生產(chǎn)中常常遇到的部分特殊地面點(diǎn)數(shù)據(jù)處理問題進(jìn)行補(bǔ)充闡述。

（1）福建省為沿海省份，海岸線漫長，擁有大量的沿海灘涂。常規(guī)的LiDAR數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)目，為了兼顧獲取同期航攝影像，航攝時間往往不是沿海灘涂當(dāng)天的低潮位時間。此時灘涂往往被海水所覆蓋，LiDAR信號被海水吸收，無法獲取到灘涂地面點(diǎn)數(shù)據(jù)。為解決這一問題，福建省對于沿海灘涂一帶，安排了專項(xiàng)灘涂航攝任務(wù)，并把航攝時間安排在當(dāng)?shù)匮睾┩康牡统蔽粫r間前后，最終獲取到了較為完整的高精度沿海灘涂地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)福建省基礎(chǔ)測繪DEM時，提取這批專項(xiàng)航攝的沿海灘涂點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為地面點(diǎn)一起參與構(gòu)TIN建模，保證了沿海一帶灘涂DEM的正確性和高精度。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水體區(qū)域空白無數(shù)據(jù)。通常做法是：對于水庫、坑塘等靜止水域統(tǒng)一采集閉合水涯線并賦高程；對于河流等流動水域，則分段采集水涯線并賦高程。然而福建省溪流、坑塘、水庫眾多，溪流多數(shù)狹長細(xì)小，坑塘、水庫許多面積不大且零散分布，全部處理起來工作量巨大而作用又有限，因此有必要進(jìn)行綜合取舍，對流動水域根據(jù)寬度、對靜止水域根據(jù)面積設(shè)定合理的最小上圖指標(biāo)。

（3）山區(qū)地帶依山而建，背靠坡、坎的建筑物。在濾波后若直接建模，會出現(xiàn)地基不平的異常情況如圖3a所示。對于此類情況，一般采用在靠近坡、坎一側(cè)人工補(bǔ)充特征線做地基平整處理的方式進(jìn)行消除。處理后效果如圖3b所示。

圖3地基平整處理前后效果

但福建省山區(qū)地帶平地較少，依山而建的建筑比比皆是，且多為零散分布，三棟一群，五棟一組。若對所有依山建筑物都要求實(shí)施地基平整處理，則工作量十分巨大且無必要。因此，對要求做地基平整處理的依山建筑物應(yīng)設(shè)定最小上圖指標(biāo)，具體可參考1∶10 000地形圖或地理國情監(jiān)測居民地相關(guān)上圖指標(biāo)，并結(jié)合DEM格網(wǎng)間距對其作出規(guī)定。

（4）福建省部分山地為原始森林所覆蓋，植被異常茂密，LiDAR信號很難甚至無法穿透植被到達(dá)地面，以致獲取到的地面點(diǎn)十分稀少甚至沒有，即便在獲取點(diǎn)云平均密度大于1點(diǎn)/平方米的情況下，分類后依然發(fā)現(xiàn)有部分1平方千米以上的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)空白區(qū)。這種情況其他省份通?？紤]采用測量植被高度以降植被高程的方式處理；但在福建省實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)植被高低參差不齊或常常無法測量，植被覆蓋范圍也難以圈定，采用這種方式處理的效果并不理想，容易導(dǎo)致地形過于失真。最終此類困難區(qū)域改按以下方法進(jìn)行處理：

對困難區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)截取斷面，重新安排人工精細(xì)分類，盡量把點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在但原先分類未能分離出來的地面點(diǎn)重新提取出來；確實(shí)沒有地面點(diǎn)的，根據(jù)山形走向特征，酌情增補(bǔ)特征點(diǎn)、特征線數(shù)據(jù)。

基于同期航測立體模型補(bǔ)充采集特征點(diǎn)和特征線數(shù)據(jù)。

此類困難地區(qū)即便在經(jīng)過上述方法處理后，仍然可能無法精確反映實(shí)地地形，因此，作業(yè)目標(biāo)以能夠體現(xiàn)該區(qū)域的主要地形輪廓（如，主要的山脊、山谷、高低點(diǎn)等）為準(zhǔn)。

（5）福建省水電資源豐富，為利用山區(qū)水力發(fā)電而建的小型堤壩數(shù)量眾多，沿海還有許多海堤，此外，福建全省村村通公路、小型公路也很多。這些小型堤壩、公路等地物，有的由于寬度較小或長度較短，可能只有少數(shù)點(diǎn)云落在堤壩頂面或路面，難以體現(xiàn)堤壩和道路的實(shí)地情況，為避免失真，需對這些小型堤壩和道路補(bǔ)充提取邊線建模。以小型堤壩為例，未處理前呈現(xiàn)為沒有堤壩的失真，處理后則有堤壩如圖4所示。

圖4堤壩處理前后效果

3.3 精度驗(yàn)證

精度驗(yàn)證分陸地和沿海灘涂兩個部分進(jìn)行，分別采用不同的外業(yè)檢測方法。

（1）選取廈門、漳州、泉州三地市片區(qū)主要陸域?qū)﹃懙谼EM成果進(jìn)行精度檢測。外業(yè)采用RTK儀器野外測繪檢測點(diǎn)，共計施測1 595個，剔除落在架空地物上或?qū)嵉匾呀?jīng)變化的38個不合理點(diǎn)，用剩余的1 557個有效點(diǎn)對DEM成果進(jìn)行精度評估，得出陸地DEM成果高程中誤差為0.316 6米。精度檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5陸地DEM檢測高程中誤差

（2）選取莆田市湄洲灣沿海的局部灘涂對沿海灘涂DEM成果進(jìn)行檢測。外業(yè)采用水下地形測量的方式進(jìn)行檢測，以測量船搭載RTK+中海達(dá)HD-370全數(shù)字單頻測深儀，對該處灘涂實(shí)施水下地形數(shù)據(jù)采集。外業(yè)總共施測了193個檢測點(diǎn)，經(jīng)解算比較，灘涂DEM檢測高程中誤差為0.078米。

（3）抽檢的精度檢測結(jié)果表明項(xiàng)目DEM成果精度明顯優(yōu)于省級基礎(chǔ)測繪對1∶5 000、1∶10 000比例尺DEM的精度要求（平地0.5米、丘陵地1.2米、山地2.5米）。

4.結(jié)束語

隨著LiDAR技術(shù)在越來越多的省份逐步推廣應(yīng)用，本文所闡述的基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作高精度省級基礎(chǔ)測繪DEM產(chǎn)品的方法及部分特殊地物處理技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)，對地形多變、水系豐富、植被茂密的省份實(shí)施類似項(xiàng)目具有一定參考意義。