基于机载激光雷达的大比例尺地形图测绘应用实践

基于机载激光雷达的大比例尺地形图测绘应用实践

张蕾  ,王梅艳

山东济南市   山东东方道迩数字数据技术有限公司 250101

摘要：目前采用的传统测绘方法及倾斜摄影测量方法逐渐无法满足对于高质高效工作进展的追求：传统的ＲＴＫ结合全站仪测绘方法已经无法满足大面积地形图生产对工期的要求；而倾斜摄影测量方法不仅需要布设大量的像控点，而且影像处理和三维模型生产需要高性能的计算机群进行运算，一线作业人员很难独立完成，同时倾斜摄影测量对于天气的苛刻要求使项目工期变得不易控制；对地势严峻或危险的区域、植被覆盖茂密的区域进行工程测量时，精度及效率都无法得到保障，使得外业作业员也面临着较大的安全风险。基于此，对基于机载激光雷达的大比例尺地形图测绘应用进行研究，以供参考。

关键词：机载激光雷达；大比例尺地形图；对比分析；测图精度

引言

激光雷达是集激光扫描系统、全球定位系统（GPS）、和IMU（惯性测量装置）三种技术于一身的系统，相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。

它们能够直接、快速、准确地访问三维空间信息以实现目标，并提供高数据密度和高分辨率。利用雷达系统数据的优势，能更好地满足近年来勘测领域广泛应用的建设项目的进度和精度要求。

1机载激光雷达系统工作原理

激光雷达是一种有效的主动遥感技术，通过发射激光脉冲及精准的量测回波所经过的时间计算传感器与目标物之间的距离，再结合载体姿态信息、位置信息进行相关解算和坐标转换可以得到高精度的三维数据。是集激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体姿态测量技术和高精度动态全球定位系统差分定位技术于一身的摄影测量领域中的新兴技术。机载激光雷达系统由ＧＰＳ／ＩＭＵ、激光测距单位、扫描单元及控制存储单元等部分组成。激光测距单元主要包括激光发射器和接收机，是激光雷达的核心组成部分，通过发射、接收激光信号可以精确测量发射器和目标物的距离。激光测距一般采用方式：脉冲测距和连续波的相位差测距。连续波激光器市场上较为少见，因此，现有的激光雷达系统多采用脉冲测距的方式。通过激光器发射一束窄脉冲，与目标物接触后产生反射，并通过接收器接收回波信号。由于脉冲的速度已知（光速ｃ），接收器可以精确测量脉冲发射到接收到反射信号的时间（ｔ），从而获得目标物与激光器的距离Ｄ＝０．５ｃｔ，然后再利用ＧＰＳ确定的传感器的三维空间坐标，与无人机的姿态参数以及激光扫描仪安置角等推算出的传感器姿态角，进而解算出地面目标的空间坐标，其测量精度可以达到毫米级。

2机载激光雷达应用与发展

通过对飞机雷达系统的分析和认识，发现我国雷达系统发展时间较短，基础技术需要进一步发展和优化，开发和应用前景广阔。核心技术的缺乏导致拥有产权的核心设备和部件的缺乏。从国外引进是进一步发展和完善载体激光导线硬件系统所必需的。对于一些具有一定激光强度的设备和测距，需要从国外进口，以弥补我国技术的不足。近年来随着技术的发展，有关科学家应考虑到国家生产技术的必要组成部分，加强对航空器雷达系统软件系统的研究，并不断改进其系统中的数据处理。制定了一系列指导方针，鼓励技术人员改进激光雷达设备处理关键技术的优化，利用机器人技术在复杂地形图中工作，不断提高实测图像的质量。现在我国已经具备生产激光设施以及在各种活动领域应用和推广技术的能力。技术人员应不断促进相关产品的成熟和商业化，以便利用飞机上雷达系统的优势，为我国的工作提供更好的服务。

3机载激光雷达在大比例尺地形图测绘应用

3.1DLG的地形数据质量控制

完成点云数据编辑后，生成的点云数据相对精确，可以用于下一阶段的数据制作、符合项目要求的DLG制作和点云数据，以此作为生成等高线和提取高程点的基础。在生成地面数据时，请注意地形对象的外观和规格，否则可能会出现显示不规则情况的问题。对于看似均匀的高程点数据，通常存在不规则现象，类似于使用新技术，需要考虑对DLG结果质量的控制和良好对象的质量。提取的高程点均匀分布在地形图中，具有视觉上的吸引力和整齐性，但并不完全展示地理要素和景观的特征，例如山顶、洼地等，则不会显示。作为地图对象的特征，例如地物交叉点、起点或后视点需要指定高程数据。对于某些地物，必须使用特定距离标记所需的高程点，并且设计工作也需要此信息。例如，用于将落差、桥梁高度、道路高度、鞍座和山顶映射到设计路线。新的技术方法需要更多的手段和算法来自动或手动提取更多的特征点和更广泛的表述。若要使用点云资料来编辑地形图面，图面项目的外观必须符合相应的准则，以使地形资料的结果符合要求。

3.2点云数据成图

正确分类点云后，可以使用已分类的曲面点数据高效地建立模型并手动进行干预。对于模型中某些无效的三角剖分问题，可以手动将未有效分隔的曲面点拆分为地面点，并最终推动三角剖分的合理发展。对于某些区域的高度变化较大，可以通过调整相应的算法和软件类特定参数来自动重新实现较小的区域分类。正确分类点后，对地面点建模并有效解决地面点模型中的轮廓关键点。可以使用相应的软件设备加速等高线的生成，并相应地设置垂直距离、最小面积、平滑度等的基本参数，以创建相应的比例尺来执行项目。此外，将根据高程点的特定要求导出点云数据的三维坐标区域，从而创建点数据文件。最后，将所有与高程点和等高线相关的数据文件导入CASS软件设备以进行有效编辑。

3.3数据处理和融合

对地面点进行分类，并在建模过程中执行手动干预，以将三角网和未拆离的地面上的各个点从曲面中分离出来，直到三角网网络合理化为止。对于高度变化的区域，应相应调整软件类的参数或算法，以改变小区域的自动分类。在优化的曲面点模型中，隔离等高线关键点并自动创建等高线。最后，将点云数据的三维坐标分布到所需的高程点距离，然后导入编辑软件以完成景观高程对象的数据收集和编辑。此外，数据整合是通过在跟踪车轮目标设备之前将多个传感器报告的实测点数据组合在一起来实现的。实际上，测量合并方法包括数据压缩和串行处理。后者是将位于同一时间轴中同一目标上的多个传感器上的测量数据组合在一起，以便将多个采样数据压缩为单个数据。此类数据整合在很大程度上与天线并行扫描雷达结合使用。多传感器异步采样收敛通过时间校准和目标状态转换(即异步数据转换后)再次进行串行处理，通过点到点收敛，最后通过目标滤波器的网络跟踪进行。

3.4等高线制作

基于高精度DEM值直接提取1m恒定高程的等高线，消除了由高密度引起的高程误差，而不是传统的立体采样等高线。①建立一个数字高程模型(DEM)，格式为XYZ格式，根据分类后的激光雷达给出点云结果。②使用TerraModel软件使XYZ格式的DEM点成为地形模型(SurfaceModel)。③基于地形模型提取等高线和高程点。④对提取的等高线进行编辑优化，参与DLG的制作。

结束语

与传统的测量方法相比，这进一步提高了测量精度，缩短了工作时间，并大大减少了现场工作，因为在一个适当应用了载波雷达设备的项目中，测量精度大大提升。机动雷达测量系统全天运行，可在夜间使用，以提高总体生产力。为此，在野外只收集少量的取样点，并在社会的许多领域中广泛使用。

参考文献

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