基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的山體DEM生產(chǎn)應(yīng)用

馬帥奇 柳翠明 龍奇勇 張永毅 唐 濤

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000）

數(shù)字高程模型（DEM）是一種表達(dá)地球表面高程的實(shí)體地面模型，通過(guò)有限的地面高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面數(shù)字化模擬，DEM能夠提供區(qū)域網(wǎng)格豐富的高程、坡度和坡向等信息，為地貌地質(zhì)、防災(zāi)減災(zāi)、流域水文、國(guó)土空間規(guī)劃和開(kāi)發(fā)建設(shè)等提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐[1-2]。傳統(tǒng)的DEM數(shù)據(jù)獲取方式主要包括地面平臺(tái)的數(shù)字化測(cè)量和機(jī)載與星載攝影測(cè)量，但這些方式存在效率低、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高、精度低、易受植被遮擋等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求[2-3]。激光雷達(dá)[4-6]（LiDAR）具有穿透性強(qiáng)、精度高、效率高、點(diǎn)云密度高、主動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐漸成為DEM生產(chǎn)的主要方式。本文以廣州市南沙區(qū)山體DEM生產(chǎn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，論述了基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)DEM成果的技術(shù)流程，解決了部分DEM生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，為類(lèi)似的研究與生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)工作原理與技術(shù)路線(xiàn)

1.1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)工作原理

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)[5-7]是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)以有人機(jī)或無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，將激光掃描系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)、慣性測(cè)量單元（IMU）集成于一體，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地獲取地面高程信息。激光掃描系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心組件，工作原理是通過(guò)激光發(fā)生器發(fā)射激光脈沖，脈沖與目標(biāo)物體接觸后反射回波信號(hào)并被接收器接收，通過(guò)記錄從脈沖發(fā)射至接收回波信號(hào)的時(shí)間間隔，計(jì)算激光掃描系統(tǒng)與地物之間的間距。激光掃描系統(tǒng)還可以接收得到激光回波次數(shù)、反射率、回波時(shí)間與回波強(qiáng)度等屬性信息。將機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通過(guò)激光掃描系統(tǒng)獲得激光點(diǎn)的空間距離信息，與慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的激光發(fā)射點(diǎn)空間位置信息與姿態(tài)信息相結(jié)合，可以解算出激光點(diǎn)在系統(tǒng)當(dāng)前坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)，即海量離散的、空間分布極不規(guī)則、能夠反映地物特征的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云自身并不具備地物的屬性信息，要獲取所表達(dá)地物的屬性信息，則需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi)處理。通過(guò)點(diǎn)云分類(lèi)，得到反映地面真實(shí)形態(tài)的地面點(diǎn)云，再由離散的地面點(diǎn)云插值生成連續(xù)的數(shù)字高程模型（DEM）。

1.2 技術(shù)路線(xiàn)

DEM生產(chǎn)總體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 DEM生產(chǎn)總體技術(shù)路線(xiàn)

基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的山體DEM生產(chǎn)的總體技術(shù)路線(xiàn)主要包括：作業(yè)準(zhǔn)備，如測(cè)區(qū)踏勘、儀器準(zhǔn)備等；數(shù)據(jù)采集，如航線(xiàn)布設(shè)、航飛作業(yè)、數(shù)據(jù)檢查等；數(shù)據(jù)處理，如POS結(jié)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分塊、點(diǎn)云分類(lèi)等；成果輸出，如DEM生產(chǎn)；質(zhì)量分析，如DEM精度分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)為廣州市南沙區(qū)38.73 km2山地，測(cè)區(qū)分布零散、山勢(shì)陡峭、植被覆蓋率高、部分區(qū)域人無(wú)法到達(dá)，測(cè)區(qū)最高點(diǎn)海拔達(dá)到298 m，使用傳統(tǒng)測(cè)量方式生產(chǎn)DEM費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以完成任務(wù)，而機(jī)載LiDAR系統(tǒng)能夠快速、高效完成數(shù)據(jù)采集工作。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)區(qū)地形條件，本文在實(shí)施過(guò)程中采用GL-52無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)配置Riegl VUX-1LR長(zhǎng)測(cè)距輕型激光掃描儀，可在不同的飛行高度進(jìn)行相應(yīng)的高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，非常適用大范圍、復(fù)雜地形、高密度點(diǎn)云航測(cè)任務(wù)，為本文實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文采用的GL-52無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)，最大掃描頻率為820 kHz，視場(chǎng)角達(dá)到330°，為避免在飛行傾斜姿態(tài)變化較大的情況下產(chǎn)生數(shù)據(jù)漏洞，設(shè)計(jì)航線(xiàn)旁向重疊度大于20%，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平均密度為每平方米不少于16個(gè)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 GL-52無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)情況如表2所示。

表2 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集情況

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)POS解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分塊等步驟處理完成后，包括系統(tǒng)采集到的所有原始地表點(diǎn)云，不能直接用于DEM生產(chǎn)，需要將點(diǎn)云濾波分類(lèi)得到地面點(diǎn)，點(diǎn)云分類(lèi)是DEM生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，決定DEM成果的質(zhì)量。

2.3.1 點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)

本文采用Terrasolid軟件進(jìn)行點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)，分類(lèi)算法采用基于點(diǎn)云高程信息、回波發(fā)射率、回波次數(shù)、地物形狀等算法及其組合，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波精度和點(diǎn)云分類(lèi)的準(zhǔn)確程度。在生產(chǎn)DEM的過(guò)程中，只需要從初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出地面點(diǎn)云，而非地面點(diǎn)云無(wú)須進(jìn)一步細(xì)分。

自動(dòng)提取地面點(diǎn)的具體過(guò)程：沒(méi)有被地物覆蓋的地面有且僅有一次回波信息，此次回波是由對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)反射得到。有地物覆蓋的地面有多次回波信息，激光穿透性強(qiáng)，能夠穿過(guò)植被，植被覆蓋處能夠同時(shí)收到植被和地面的多次回波，正常的地面點(diǎn)是最后一次回波對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)，因?yàn)榕c同一位置植被相比，地面點(diǎn)高程最低，從高程較低的LiDAR點(diǎn)云中提取初始地表面?；诔跏嫉乇砻?，設(shè)置地面坡度閾值進(jìn)行迭代運(yùn)算，不斷優(yōu)化閾值及分類(lèi)結(jié)果，直至找出合理的地面點(diǎn)[7]。

2.3.2 點(diǎn)云人工分類(lèi)

自動(dòng)分類(lèi)得到的點(diǎn)云仍然可能存在錯(cuò)分漏分的問(wèn)題，需要采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行進(jìn)一步分類(lèi)。主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在點(diǎn)云分類(lèi)軟件中，抽取完成自動(dòng)分類(lèi)后的LiDAR點(diǎn)云成果，選用其中的地面點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，從不同區(qū)域拉取不規(guī)則三角網(wǎng)坡面，檢查點(diǎn)云的高程信息，檢查該區(qū)域是否存在地形不平滑、不連續(xù)、空洞或同種地形高差發(fā)生突變的情形，判斷是否存在點(diǎn)云錯(cuò)分或漏分的問(wèn)題。

為了能夠更完整詳細(xì)地對(duì)地表細(xì)節(jié)部分的點(diǎn)云錯(cuò)分漏分問(wèn)題進(jìn)行檢查，本文還加入實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)同時(shí)期高分辨率影像和地形圖數(shù)據(jù)與點(diǎn)云生產(chǎn)的不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行地形比對(duì)和輔助判定，逐塊對(duì)測(cè)區(qū)不同的地形地物進(jìn)行判別，使用點(diǎn)云人工分類(lèi)工具把錯(cuò)分漏分的點(diǎn)云采用迭代算法按照正確的地類(lèi)進(jìn)行局部修改，將其歸并到相應(yīng)的點(diǎn)云類(lèi)別中，從而提高了最終成果點(diǎn)云分類(lèi)的精度。

2.3.3 點(diǎn)云分類(lèi)成果檢查

點(diǎn)云分類(lèi)完成之后，要對(duì)分類(lèi)成果進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括地面點(diǎn)、非地面點(diǎn)、噪聲點(diǎn)分類(lèi)是否正確；地面點(diǎn)的剖面圖形態(tài)是否合理；地面點(diǎn)云表面模型是否連續(xù)、光滑。通過(guò)質(zhì)量檢查的地面點(diǎn)云才可以用于生產(chǎn)DEM。

2.4 DEM生產(chǎn)

分類(lèi)后得到的地面點(diǎn)云包含高精度地面點(diǎn)坐標(biāo)信息，尤其是高程信息，可以直接用于DEM生產(chǎn)。采用ArcGIS軟件內(nèi)置點(diǎn)云轉(zhuǎn)換工具生產(chǎn)DEM，格網(wǎng)尺寸為1 m，插值方式為鄰域均值法。采用軟件補(bǔ)充存在空洞與水面的區(qū)域。DEM成果如圖2所示。

圖2 DEM成果

2.5 DEM成果質(zhì)量評(píng)價(jià)

從地形圖中提取7 395個(gè)控制點(diǎn)作為本文生產(chǎn)的DEM成果質(zhì)量評(píng)價(jià)的檢查點(diǎn)，采用人機(jī)交互方式將地形圖控制點(diǎn)與數(shù)字高程模型做高程比對(duì)，統(tǒng)計(jì)分析成果誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，各實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)DEM成果高程誤差為0.25～0.60 m，整體高程中誤差為0.46 m，實(shí)驗(yàn)精度符合山地地形精度要求，能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。DEM成果精度檢查結(jié)果如表3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的山體DEM生產(chǎn)，本文的方法具有快速、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，克服了山區(qū)復(fù)雜地形及植被覆蓋密度高的困難，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求。機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠快速高效地獲取高精度位置信息，將其與高分影像、傾斜三維模型等技術(shù)結(jié)合使用，不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。