機(jī)載LiDAR在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用及建議

Summary：地形圖測(cè)繪成果在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，可以對(duì)地區(qū)國(guó)土空間概況進(jìn)行精準(zhǔn)掌握，促進(jìn)管理決策水平的全面性提升。當(dāng)前我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度逐漸加大，對(duì)大比例尺地形圖的需求日益增加，但是傳統(tǒng)測(cè)繪方式測(cè)量效率較低，測(cè)量精度難以保障，不能及時(shí)高效的獲得目標(biāo)區(qū)域地形圖為工程服務(wù)。因此，需要對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用，充分發(fā)揮其高精度、高效性、完整性、現(xiàn)勢(shì)性等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)與全站儀、GPS等進(jìn)行進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，促進(jìn)測(cè)量效果的提升。本文主要對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行探究，旨在進(jìn)一步提升大比例尺地形圖制作質(zhì)量，為基礎(chǔ)建設(shè)工程提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。Keys：機(jī)載LiDAR大比例尺地形圖制作應(yīng)用傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)主要是利于航空攝影空三加密的方式獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，整體工程程序較為繁雜，工作量大。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以利用位置、距離、角度等觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)三維點(diǎn)云信息進(jìn)行直接獲取，而且數(shù)據(jù)獲取速度較快，可以獲得較高分辨率的空間與時(shí)間數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍較大，主動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在大比例尺測(cè)圖、公路建設(shè)、電力巡線等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一、機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理激光雷達(dá)是主動(dòng)遙感技術(shù)，發(fā)生激光脈沖后，對(duì)回波所經(jīng)過(guò)的時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，從而對(duì)傳感器與目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，同時(shí)根據(jù)載體姿態(tài)信息、位置信息等，展開(kāi)相關(guān)解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，從而獲得高精度的三維數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)是一種綜合性的新興技術(shù)，包含激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)差分定位技術(shù)于一身，在攝影測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和推廣[1]。其中機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)包含GPS/IMU、激光測(cè)距單元、掃描單元、控制存儲(chǔ)單元等構(gòu)成。其中激光測(cè)距單元由激光發(fā)射器、接收機(jī)等構(gòu)成，這是整體系統(tǒng)的核心，可以對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行發(fā)射、接收，并對(duì)發(fā)射器與目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。其中激光測(cè)距方法包含脈沖測(cè)距和連續(xù)波的相位差測(cè)距。當(dāng)前市場(chǎng)上較常使用的為脈沖測(cè)距方式。在具體應(yīng)用中，激光器發(fā)射一束窄脈沖，在與目標(biāo)物接觸后進(jìn)行發(fā)射，接收器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收，通過(guò)脈沖速度，對(duì)脈沖發(fā)射到接收到反射信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，從而獲得目標(biāo)物與機(jī)關(guān)器的距離數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPS對(duì)傳感器的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行明確，并結(jié)合無(wú)人機(jī)的姿態(tài)參數(shù)、激光掃描儀安置角等，對(duì)傳感器姿態(tài)角進(jìn)行推算，并對(duì)地面目標(biāo)的空間坐標(biāo)進(jìn)行解算，其測(cè)量精度較高，甚至可以達(dá)到毫米級(jí)。相較于傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用，可以有效提升數(shù)據(jù)精度，提高自動(dòng)化程度，減少成本，縮減生產(chǎn)周期，推動(dòng)整體工作效率的提升。其中機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)流程如圖1所示。圖1技術(shù)流程對(duì)比二、機(jī)載激光雷達(dá)在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用（一）點(diǎn)云處理及DEM創(chuàng)建激光雷達(dá)系統(tǒng)主要是通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)和GPS/IMU對(duì)地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接獲取，形成不規(guī)則、離散的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢(shì)為不受天氣、日照影響，可以全天候主動(dòng)快速獲取精準(zhǔn)的高分辨率數(shù)字地面模型及第五三維坐標(biāo)，成圖周期較短，高程精度高。其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包含預(yù)處理和后期處理兩個(gè)階段。預(yù)處理又涉及兩個(gè)方面，即軌跡線解算和點(diǎn)云與處理。軌跡線解算主要是通過(guò)POSPac軟件，把機(jī)載動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)、地面基站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行組合計(jì)算處理，并以此為依據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)精度進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)定位和測(cè)姿精度誤差進(jìn)行有效性控制[2]。然后利用POS數(shù)據(jù)聯(lián)合地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，獲得坐標(biāo)位置和姿態(tài)信息，并形成軌跡線文件和精度文件。點(diǎn)云預(yù)處理預(yù)處理主要是通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件，并利用重疊航帶之間的同名面，形成坐標(biāo)誤差方程，同時(shí)利用最小二乘原理獲得系統(tǒng)檢校參數(shù)，同時(shí)利用激光測(cè)距文件聯(lián)合軌跡線文件進(jìn)行解算，獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在后期處理中，需要利用專(zhuān)業(yè)軟件，對(duì)預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分類(lèi)，形成DEM。（二）等高線自動(dòng)生成等高線可以對(duì)地形、地貌特征進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速獲取等高線數(shù)據(jù)，可以有效解決地形圖制作中地貌測(cè)繪問(wèn)題。在具體操作中，需要把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EPS點(diǎn)云模塊里，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇合適的等高距，一般為1.0米或者2.0米，同時(shí)需要輸入計(jì)、首曲線編碼、最佳的等高線生產(chǎn)參數(shù)3*3，并通過(guò)重復(fù)性的抖動(dòng)、平滑、懸掛線頭檢查等處理，生成等高線。然后需要設(shè)定面積技術(shù)，刪除平整旱地、路面、居民園內(nèi)的細(xì)少閉合曲線，但需要保留山頭、凹地閉合曲線。當(dāng)區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)曲線斷開(kāi)、懸掛的問(wèn)題，要地同高曲線進(jìn)行聯(lián)合處理，改至沒(méi)有拓?fù)溴e(cuò)誤為止[3]。（三）DOM制作數(shù)字正射影像圖能夠?qū)φ鎸?shí)的影像進(jìn)行量測(cè)，在測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。大比例尺正射影像在紋理清晰的區(qū)域容易出現(xiàn)位移、變形等問(wèn)題，需要采集道路、水系等主體框架數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，然后形成三角立體控制網(wǎng)，生成分辨率較高的單片數(shù)字正射影像DOM，其中包含單片正射糾正、勻光勻色、鑲嵌線自動(dòng)匹配、鑲嵌線編輯和成圖輸出，能夠?qū)用竦?、梯田等進(jìn)行精準(zhǔn)清晰的展現(xiàn)，誒高程點(diǎn)為提取提供基礎(chǔ)圖件[4]。（三）高精度高程點(diǎn)選取高程點(diǎn)就是在地形圖上標(biāo)有高程數(shù)值的信息點(diǎn)，與高線聯(lián)合表達(dá)地貌特征。在選取高程點(diǎn)時(shí)，需要在EPS點(diǎn)云處理模塊里，導(dǎo)入編輯后的等高線和DOM，疊加上處理后的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)提取高程點(diǎn)功能，人工提取符合相關(guān)工程地形要求的高程標(biāo)記點(diǎn)[5]。（四）外業(yè)補(bǔ)調(diào)在測(cè)繪行業(yè)中，通過(guò)內(nèi)業(yè)作業(yè)可以在立體模型下精準(zhǔn)定位地物的坐標(biāo)，但是地物的性質(zhì)需要通過(guò)外業(yè)進(jìn)行核實(shí)。外業(yè)補(bǔ)調(diào)可以對(duì)內(nèi)業(yè)無(wú)法判別的地物進(jìn)行核實(shí)和勘察。通過(guò)這一步驟可以對(duì)內(nèi)業(yè)的遺漏進(jìn)行有效性補(bǔ)充，并對(duì)地物性質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)注，形成完整的地物數(shù)據(jù)。（五）檢查修改自動(dòng)生成的等高線經(jīng)過(guò)編輯和人工提取高程點(diǎn)后，形成測(cè)區(qū)的基本地貌數(shù)據(jù)，但是由于受到各種因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)局部存在一些問(wèn)題，如受到植被覆蓋密度高等因素的影響，難以獲取區(qū)域自然地表信息；點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布不均勻；出現(xiàn)掃描盲區(qū)或失真區(qū)域。針對(duì)這種情況，需要對(duì)把地貌數(shù)據(jù)映射到模型中進(jìn)行立體檢查和修改[6]。結(jié)語(yǔ)綜上所述，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在大比例尺地形圖制作工作中的有效性應(yīng)用，可以提升整體工作效率，提高成圖速度，而且整體工序較為簡(jiǎn)化，具有較高的自動(dòng)化程度，可以有效縮減生產(chǎn)周期，并控制整體作業(yè)的生產(chǎn)成本，可以對(duì)山地、丘陵等地貌特征進(jìn)行清晰準(zhǔn)確顯現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以極大程度上節(jié)省工作量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)工作效率的提升，保障數(shù)據(jù)測(cè)量機(jī)病毒，滿足多種比例尺地形圖的制作要求。Reference[1]胡錦榮,劉濤,李甜,劉敏.基于PPK的機(jī)載LiDAR在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),2022(02):115-119.[2]黃妙華.機(jī)載LiDAR在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用[J].智能城市,2020,6(22):69-70.[3]呂愛(ài)美.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云在大比例尺地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].經(jīng)緯天地,2018(02):58-64.[4]胡耀鋒,張志媛,林鴻.利用機(jī)載LiDAR測(cè)繪大比例尺數(shù)字地形圖的可行性研究[J].測(cè)繪