机载LiDAR系统在大比例尺地形图测绘中的应用研究

机载LiDAR系统在大比例尺地形图测绘中的应用研究

杨佳俊 胡思懋

武汉纵横天地空间信息技术有限公司 湖北省武汉市 430061

摘要：山区地势高低起伏、植被茂密，传统的大比例尺地形图测绘方法存在工期长、精度低、劳动强度大、作业危险等不足。结合机载LiDAR系统在山区大比例尺地形图测绘项目中的应用实例，详细介绍了该系统的技术优势及整体作业流程，同时对测量精度进行了验证。结果表明：机载LiDAR系统具有高效率、高精度、可穿透植被等诸多优点，为山区大比例尺地形图测绘提供了全新的技术方法，同时也为振兴乡村经济建设的各项工作提供了强大的数据和技术支撑。

关键词：机载LiDAR；点云；山区地形图；DEM

1引言

随着我国经济社会发展转型，针对农村的一系列改革措施不断出台，由此，政府部门对现势大比例尺地形图的需求不断增大、要求越来越高，而这些地区大都位于我国的山区，给地形图测绘工作带来一定困难。传统的山区大比例尺地形图测绘主要依靠人工野外生产的方式[1]，由于山区地势高低起伏、沟壑悬崖峭壁多、植被茂密，导致GPS信号容易被遮挡，不仅存在测量工期长、精度低、劳动强度大，而且还严重影响到作业人员的人身安全。近年来，LiDAR技术逐渐兴起，其具有高效率、高精度、可穿透植被等诸多优点[2]，其中，以机载LiDAR系统为代表的先进技术已经显示出越来越大的应用潜力，完美解决了传统山区大比例尺地形图作业方式存在的问题。

2机载LiDAR系统

2.1机载LiDAR系统组成

机载LiDAR是激光探测及测距系统的简称，它是将激光扫描系统、GPS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的数字化精确三维模型信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。机载激光雷达系统主要由激光扫描系统（激光测距单元和光学机械扫描单元）、定向定位系统POS（动态差分GPS和惯性导航系统INS）以及GPS地面基站组成。

3项目实例

3.1项目概况

该测区作业困难级别为V级。测区长约2km、宽约1.5km，由于地形地貌复杂，传统的人工外业数据采集难度系数高，测绘精度难以保证，本项目拟采用机载LiDAR系统进行作业。

项目采用的设备为华测P580无人机平台搭载AS-300HL多平台激光雷达测量系统，该系统能够在复杂地形和危险测区情况下不直接接触危险目标，详细、快速地进行外业数据的采集，既能保证人员和设备的安全，又能保证成图的精度。利用机载LiDAR系统采集约3km2目标区域内的激光点云和影像数据，通过对获取数据的后续处理得到该区域内l∶500DLG、DEM、DOM产品。

3.2前期准备

前期准备阶段包括资料收集、测区踏勘、空域申请等，通过测区资料收集，研究获取测区大体地形地貌特征，为航飞设计和机载扫描做好准备工作。

3.3机载扫描

机载扫描采集内容包括：扫描方案设计、静态基站架设、采集过程监测等环节。扫描方案设计包括飞行参数设计和飞行航线规划。飞行参数包括：无人机飞行高度、扫描航线带宽两个指标的设定，需要综合考虑激光扫描仪参数设置、测区房屋间距等要素的影响。航线规划主要是飞行时航线方向的确定，原则是：（1）满足建筑物扫描完整性的同时提高无人机的使用率，即飞行最短的时间获取更完整的点云数据；（2）保证航线整体相对较长且扫描方向与房屋方向时刻存在夹角，以便减少转弯以及获取房屋四面墙体。在实际扫描作业中，还需在测区范围内架设一台静态GNSS接收机，同步接收和记录卫星信号，用于后期数据解算。外业点云采集的同时要进行采集监测，目的是为了准确记录扫描的工程文件信息，便于后期开展数据解算和内业测图工作。

3.4点云数据解算和精度检核

数据解算方法主要包括三个部分：（1）差分GPS处理；（2）轨迹文件解算；（3）点云数据输出。差分GPS处理和轨迹解算部分使用Inertial Explorer软件进行处理，点云数据输出采用设备自带的激光解析软件进行处理。为了保证激光点云扫描数据精度，在扫描的同时，安排外业现场调查人员利用全站仪实测一批检查点。其中，检查点要分布均匀，用于平面精度检测的检查点以房角点为主，穿插部分屋檐点；用于高程精度检测的检查点要以硬质路面点为主。对于测区中的噪声点，需通过Terra Solid软件逐块进行噪声点的剔除，反复调整相关参数剔除点云数据的明显噪声，以便开展DEM生产。

3.5 DEM生产

获取的点云数据，除了地面点还包括植被、建筑等非地面点数据，需要经过点云分类得到地面点。利用分类好的地面点成果数据，结合带有高程信息的特征线，就可以制作高精度的DEM成果。由于通过点云数据生成得到的等高线曲线折点较多，不够平滑，为了进一步提高等高线的精度和美观程度，需要后期进行手工编辑修饰，编辑原则包括：平缓地区等高线走向的正确性、V字形山脊山谷朝向的正确性等。

3.6点云立体采编

除了采集等高线和高程点之外，还需要采集居民地、水系、交通、地貌、植被、管线等地物信息。本项目使用点云立体采编软件LiDAR Feature，直接在三维立体点云环境下，结合获取的正射影像数据并进行数字测图。

3.7外业调绘和内业编辑

数据内业采集完成后，需要进行外业调绘与补测，目的是对内业采集的所有要素进行定性，补测、补调隐蔽地物、新增地物和采集遗漏的地物，并纠正内业采集错误的地物，进行全面的实地检查、补测、地理名称调查注记、屋檐改正等工作，要求做到图面和实地景观保持一致，保证其数学精度。地形图内业编辑按外业调绘的内容，用人工干预方式，对原立体采集初编的矢量数据图的内容作编辑修改。以统一的线型库、符号库、字库和要素代码分层标准进行编辑。

3.8点云数据精度分析

为保证激光点云数据的精度，在扫描的同时，安排外业人员利用GNSS-RTK实测一批检查点，用于平面精度检测的检查点以房角点为主，穿插部分屋檐点；用于高程精度检测的检查点要以硬质路面点为主。本项目以中误差作为精度指标对机载LiDAR点云数据的精度进行分析评价，在测区范围内均匀采集165个点作为检查点，经检定，测区点云数据平面中误差为±4.63cm，高程中误差为±6.49cm，满足有关规范的精度要求。

3.9效率统计分析

任务完成后，项目组将传统大比例尺地形图测绘方法与机载LiDAR系统的生产效率进行了测算比较：在外业效率方面，利用GPS-RTK和全站仪测图1km2需要2人，用时4天左右，而机载LiDAR系统只需1人不足1小时就能完成外业数据采集。在内业效率方面，传统方法需要对数据进行展点，再跟草图进行对比，最后绘制出地形图，而机载LiDAR系统可以在导出数据后直接在点云上进行描绘，再经过简单处理就可直接出地形图。经比较，内业出图效率比传统作图高出4倍以上。总体来看，机载LiDAR系统和传统测绘方法相比，生产效率至少提高8倍以上。

4结束语

机载LiDAR系统在山区大比例尺地形图测绘中取得了良好的应用效果，通过应用，总结如下：

（1）在植被茂密的山区，人工野外实测存在信号失锁的情况，而机载LiDAR系统因为GPS信号不被植被遮挡，因而不会出现由于信号失锁带来的精度的降低。与地面全野外地形测绘方式相比，机载LiDAR系统是通过飞机在空中采集数据，遮挡少、信号强、点云精度高，不存在测量盲区，作业更加机动灵活。

（2）山区地形复杂，存在人工难以到达的复杂地形或者危险测区，机载LiDAR系统能够详细、快速地进行外业数据采集，既能保证人员和设备安全，又能保证成图精度。利用机载LiDAR系统获取数字高程模型（DEM）、数字地面模型（DSM）更为方便、高效，具有作业成本低、数据精度高、利于成本控制等优点。

（3）与低空航空摄影相比，机载LiDAR系统是一个主动系统，不受阴影与太阳高度角的影响，受天气影响较小，有效作业时间长。机载LiDAR系统将山区地形图测绘工作从“外”搬到“内”，大大减少了外业测图人员的工作量，提高了工作效率。

参考文献

[1]白斌.机载LiDAR在大比例尺地形图测绘中的应用分析[J].测绘与空间地理信息,2024,47(04):186-188+192.