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摘要：随着测绘新技术的不断发展，机载激光点云技术是当今国内外高科技发展的潮流和趋势，它能快速高效真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求。日本是自然灾害(泥石流等)发生频繁的国家，为了保护国民的生命财产，明确有可能发生土砂灾害的危险区域，对该区域进行危险通知，警戒避难体制的整备,避免和减少灾害所带来的生命财产损失，需要制作比例尺1/2500 以上的特殊化数字三维地形产品，来进行地形分析。本文采用机载激光LiDAR和航测等新技术获取山洪灾害防治区高精度基础数据，为山洪灾害分析评价提供有力支撑。
本文从激光、影像联合作业方式两个方面进行机载激光LiDAR和航测技术在山洪灾害评估中应用的生产阐述：一、飞机搭载激光雷达设备获取点云数据得到精确的数字高程模型和激光点云数据。二、飞机机搭载数码相机获取1：2000比例尺航片数据，利用该数据和三维激光点云制作DEM、DOM、DLG产品。利用数字地形产品进行地形形态分析，对山洪灾害隐患早期识别与分析，该技术在项目中应用的优势，对以后的测绘工作有一定的参考意义。
关键词：机载激光LiDAR；航测；DEM；DOM；DLG
山洪泥石流等自然灾害是一种常见于高山峡谷之中的地质灾害。日本近年来受地震，极端天气等影响这些地区中因植被覆盖及地形较为复杂，且普遍缺少详细准确的三维地形数据资料，使用传统技术排查，调查人员难以到达实地开展核实工作，因此，较快获取其详细地理信息，对山洪灾害工作有十分重要的意义。
传统的航空摄影测量技术经过多年的不断发展，至今也非常成熟，在基础测绘及4D产品生产发挥着重要作用。业界一般采用小比例尺的地形图或遥感影像数据来分析研究山洪灾害的发生机理，缺少山洪沟内的详细大比例尺地形图和高分辨率的遥感影像数据的应用案例。随着测量技术手段的不断发展提高，传统的数据获取方法不能再满足山洪灾害问题研究的需要，一些先进的测量手段被广泛应用于复杂地区的地形模拟和洪水实时动态监测中，如航测技术和机载激光雷达快速处理测量技术在山洪灾害应急监测中的应用。这些工作的展开，急需一整套先进综合的测量设备，用于快速、实时和动态获取资料缺乏山洪灾害地区发生流域内的DEM、DOM和DLG等基础数据。这些高精度地形数据的获取，也将大大提高自然灾害预报的精度，快速确认发生山洪灾害危险区域动态发展。
本论文主要从实际作业日本项目举例讲一下飞机飞行平台搭载激光LiDAR设备，通过激光扫描获取流域的激光点云数据；再以飞机为飞行平台搭载高分辨CCD相机系统获取影像，最终获取本项目山区流域的激光点云数据、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）及数字线划图（DLG）成果。
2 .2机载LiDAR结合航测技术作业流程 
测区现场勘查、资料收集，确定测区准确范围，确认收集测区相关资料，包括已有地形图和影像资料、航飞资料，确定测区具体坐标范围；确定测区范围或周边有无适合飞机起降的飞行高度；确定测区内无涉军、涉密、禁区等国家相关法律法规禁止航拍的区域；确定测区周边30公里范围内无军用机场、民用机场、试飞机场等；附近应无正在使用的雷达站、微波中继、无线通讯等干扰源。
保证安全作业。并制定完整的技术设计方案。
1）航线设计
航飞计划应包括航带划分，确定飞行高度、速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素及定位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入导航计算机内，在飞行导航控制软件的辅助下进行飞行作业。
2）航线重叠度要求
LiDAR点云旁向重叠度应达到20％，同时保证飞行倾斜姿态变化较大情况下不产生数据覆盖漏洞，在丘陵山区，应适当加大航线旁向重叠度。
3）飞行要求
航高保持：一条航线内航高变化和实际航高变化不应超过相对航高的5%—10%；飞行速度：整个作业区域内飞行速度尽可能保持一致，在一条航线内，飞机上升、下降速度变化不大于10m/s；飞行过程：航线俯仰角、侧翻角一般不大于2%，最大不超过4%，飞机转弯时，坡度不大于20°；航线弯曲度不大于3%。
1）对原始数据进行解码，获取GPS数据、IMU数据、激光点云数据等。
2）将同一架次的POS数据、IMU数据、地面基站观测数据、飞行记录数据、基站控制点数据和激光测距数据等进行整理，生成满足要求的点云数据。
3）预处理之后的数据检查：点云数据是否覆盖整个测区；航带之间是否有重叠（不小于13%），是否有漏洞。
匹配航迹线与点云：原始点云没有航迹信息，所有航线的点云颜色都一样，无法判断是否有高差，需要匹配航迹线与点云。
1）检查航带拼接误差：使用剖面工具，检查平面差和高程差，两两航带重叠区域的剖面是否完全重叠，如果不完全重叠，则视为有拼接误差。
2）运行宏命令：LiDAR点云的特性是离散，所有点都在一个或者两个类中，但并未区分地面与非地面，为了调整航带拼接误差，我们需要大概分类出一个光滑的地面和其他有特征的地物（如建筑物）。
3）对批处理后的数据依次进行平面差调整、高程差调整。在航带平面差调整中，调整后的地物要与参考面测量中的地物完全重合。高程相对调整的结果要达到小于15cm的数。
对Lidar点云数据进行分类处理的目的就是将分布在不同地面目标上的点进行分离。简单地说，就是将落在地形表面上的点(即所谓的地面点)与那些非地形表面上的点（譬如上面图中落在汽车上、树木或植被上、以及落在房屋上的点）进行有效而准确的分离。
粗分类是将地面与非地面点大致的分离，对于复杂地形不可能实现准确无误，需要对粗分类的结果进行检查和修改[5]。精细分类检查修改的内容主要是两类：应该保留在地面层中点（山脊山谷、路沟坎、大坝、礁石、田埂等）被粗分类到非地面层，需要手动返回到地面层中；需要分类掉的点（植被、建筑物、交通设施、桥、小物体等）未粗分类干净彻底，需要手动分类到非地面点中。
一般按东西向平行于图廓线直线飞行，特定条件下可以按照南北向飞行或沿线路、河流、海岸、境界等方向飞行；
曝光点应该尽量采用数字高程模型以地形起伏逐点设计；进行水域、海区摄影时，航线敷设应该尽可能避免像主点落水，应保证所有岛屿达到完整覆盖，并能构成立体像对
选择天气条件良好的时间段进行低空摄影测量工作，根据比例尺计算出航空摄影时的相对航高、航向重叠度、旁向重叠度等信息。在航拍工作完成后，提交航摄飞行记录表格记录。
使用简拼软件对航拍照片进行快速拼接。进行初步检查按照航线间隔为2，基线数为6-8进行控制点布设，航区或航摄分区接合处，控制点应布设在航线重叠接合处，邻区尽量公用。如不能满足公用要求，则应分别布设控制点[3]。
航测采用POS辅助数码航空摄影技术，在获取数字影像的同时获取每张像片的外方位元素，可大大节省地面控制点个数，减少像控测量的工作。
像片控制点的目标影像应清晰，易于判读和立体量测，如选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物拐角点，原始影像中不大于 3*3 像素的点状地物中心，同时应是高程起伏较小、常年相对固定且易于准确定位和量测的地方。
高程控制点点位目标应选在高程起伏较小的地方，以线状地物的交点和平山头为宜，狭沟、尖锐山顶和高程起伏较大的斜坡等，均不宜选作点位目标。
利用飞机数据处理必备资料包括原始影像数据、控制资料、航线结合表、POS成果，相机检校文件等。畸变校正由于飞机航空搭载的相机为非量测相机，其像片边缘存在边缘畸变，根据相机检校文件中的畸变参数，使用专业的畸变校正软件对其进行校正后再进行空三加密。
在inpho软件中建立工程，导入相机文件、影像、POS数据。根据POS坐标建立航线后做相对定向，进行航带内和航带间连接点匹配，自由网平差之后，根据软件计算的连接点精度报告进行点位的删除及调整。导入外业测量的控制点成果到专业的软件中，根据外业提供的点之记成果在立体环境下进行点位的量测，在进行区域网平差，根据平差报告进行调整，使点位在平面和高程的精度满足规范的要求，获得影像的外方位元素[3]。
机载LiDAR采集到的激光雷达点云密度非常高，通过LiDAR专用软件快速将点云除噪，再去除植被、建筑物等非地面点，获取准确地面点云，即可通过最小二乘法拟合构建DEM功能，直接重采样DEM、DSM数据，高精度的DEM同时也为影像纠正提供了精度保障。
数字高程模型数据如下图：
飞机航片采集原则：按照要求采集地物，每一个像对的测绘面积原则上应选取模型的中部进行测量，规避飞机影像的边缘畸变。
采集内容：地物立体采集内容主要包含：水系及附属设施、道路及附属设施、居民地、斜坡陡坎等。
地貌自动生成：地貌通过等高线配合高程点表示。等高线由激光雷达点提取的数字高程模型直接生成，高程点使用激光点云地面点适当提取。该方法取代传统的立体采集等高线，并克服了立体采集中由于植被过于茂密造成高程不精确的弊端。
地物地貌整合：把提取出的地貌和采集的地物统合在一起进行图面检查，如果发现有不合理的地方立体检查修改，对于点、线、面的拓扑关系不合理的地方进行图面编辑。
高分辨率数码影像配合激光点云数据快速生成真正意义上的高精度数字正射影像图，利用空三加密成果和点云提取出来的数字高程模型生成正射单片，在photoShop软件中对整个区域的正射单片进行预处理匀光匀色，保证整个测区的DOM色调一致。再对匀光匀色之后的影像选取镶嵌线对DOM进行镶嵌，确保镶嵌处无地物错位、模糊、重影现象，影像镶嵌时保证地物的完整性，尽量避开建筑物、桥梁等独立地物，同时镶嵌线应尽量选择在重叠区域接边误差最小、颜色接近的区域。最后将拼接好的影像按照标准分幅进行裁切。
日本位于新的造山带上，细长的国土中央贯穿陡峭的山脉。断层很多，河川梯度大坡度小，位于太平洋板块、欧亚板块、北美板块相互俯冲挤压中，四面环海，海岸线复杂，因此地震十分频繁，是一个多灾害的国家。
日本是个多山地灾害的国家，其地质条件较差极易形成土砂灾害。现在全日本土砂灾害形成潜在危险区4l万多处，威胁约2850多万人，其中陡坡地崩塌危险区11.7万处、滑坡危险区约9.2万处、泥石流沟约l9万条，其他灾害(主要是雪崩)1.5万处；日本活火山有86座，每年发生大小地震1 000多次，M8级以上的地震占世界的20％。日本的土砂灾害危害严重，2000年全国共发生土砂灾害608次，其中泥石流是各类土砂灾害中威胁人口最多的。1959年富士川遭遇台风暴雨，雨强达301 mm/h，发生泥石流，受灾777户，死亡或失踪52人。这次灾害对全日本震动很大，促使日本政府下决心进行泥石流治理。大和川从滑坡体上流过，1931年滑坡体移动40 m以上，关西铁路和公路遭到破坏，大和川阻塞，上游积水[1]。
机载激光LIDAR系统是一种主动式的遥感测量系统，快速、准确的高精度DEM获取，结合航测技术制作DOM和DLG三维数据成果，确定危险区域后，根据三维数据成果制作断面图进行危险区域分析和预警，及时进行人员转移，降低自然灾害中人员伤亡。保护国民的生命财产安全，这种方法能快速明确有可能发生土砂灾害的区域，为防灾减灾决策和救援提供数据支撑。
机载激光LiDAR激光脉冲信号能部分穿透植被，能快速、高精度和高空间分辨率地获取森林或山区的数字表面模型；激光点云数据本身就是三维数据。通过机载Lidar得到的DEM数据表面较为平滑，与实际地形较为接近，且在实际操作中效率较高[4]。在此DEM基础上可以直接获取准确的三维等高线和高程点，比起传统的立体采集等高线耗时长、人工误差带来的精度低的状况，该方式获取等高线是全自动的，且与DEM完全吻合。LIDAR数据固有的三维属性，避免了在数字摄影测量中影像匹配技术可能会产生的误匹配，生成的DEM和等高线更加精确可靠，具有实时应用的潜力。
点云数据和DOM叠加可得到真实的三维场景图，能清晰看见所有地物地貌，地形地貌情况一目了然，大大提高山洪灾害现场人员的工作效率。
利用红色立体图可以直接进行地形数字化作业，具体方法：参照DOM判读地物，用红色立体图确定位置，进行DLG矢量专题作业，对于山区地形和树木覆盖的地方很容易找到准确位置，并且位置精度也有很大提高，这种方法值得我们国内DLG生产项目借鉴参考。
通过机载LiDAR所获取的激光点云数据，其激光脉冲信号能够穿透植被，快速获取高精度和高空间分辨率的森林或山区的数字表面模型。能够高效的提取灾害区域的地面点云，并在灾害区域地面点云基础上制作DEM，弥补了人工实测效率低、不连续、不直观的缺点，从而进行必要的灾害控制、监测[2]。
航测技术可以快速获取山区灾害区域内的高清晰航片，数据处理速度快，精度高，并有效降低了实施成本，缩短了实施周期，在成果精度方面亦有明显提高。
机载激光雷达及航测技术结合应用，能够快速获取测区范围内高清正射影像图（DOM）、高精度数字高程模型（DEM）及数字线划图（DLG），为山洪灾害应急调查工作提供一个更快捷高效的技术设施方案和更精确的基础数据，有了能快速响应的高精度基础数据，可大大提高灾害区域预报的效率和精度，更好地服务地震、山洪灾害、泥石流滑坡等调查评价工作，为灾害监测提供重要的数据资料，减少国家政府和人民的损失。机载激光雷达及航测技术相结合为未来智慧城市、灾害应急、国土安全、文物保护等诸多领域中发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1] 高存荣，日本地质灾害的防止及预警预报，2006年7月26日
[2] 马洪超，激光雷达测量技术的若干应用，2011
[3] GBT 23236-2009 数字航空摄影测量 空中三角测量规范
[4] 陈涛,张培震等.机载激光雷达技术与精细地貌定量化研究. 科学通报59（14）2014
[5] 张晓红，机载激光雷达测量技术理论与方法 武汉；武汉大学出版社2014
[6] YM-SDSMD02-ADT作業指示書 2019.7
[7]汪承义、陈静波、孟瑜等新型航空遥感数据处理技术 化学工业出版社 2016
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