机载激光雷达测量技术及应用

何延松，王丽芬

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166; 2.绵阳天眼激光科技有限公司 绵阳市 621000)

1 概述

机载激光雷达测量技术的出现和发展，为地理空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，这项技术的出现是继全球定位系统(GPS)以来在遥感测绘领域的又一场技术革命。

机载激光雷达系统(LIDAR_Light Detection And Ranging)是集激光扫描仪、POS定位定姿系统、高分辨率数码相机、嵌入式计算机于一体的新型主动式快速测量系统，能够快速、精确地获取地表三维空间信息和真彩色影像。这些数据可广泛应用于公路、铁路、电力、石油、国土、应急测绘、林业、文物保护等多个领域。

2 工程应用

2.1 任务情况

通过机载激光雷达航飞，对西南地区某高速进行轻小型机载激光雷达(lidar)数据航飞与数据处理，得到1∶500的激光分类点云、正射影像模型(DOM)、数字高程模型(DEM)、1∶2000数字线划图(DLG)技术服务工作。

2.2 作业内容

激光雷达扫描测绘项目测区约160km2，成图面积约为170km2。经数据处理得到：

(1)点云

提供工程坐标系下分类后的分幅点云，点云格式为LAS格式。点云分类后成果需包含地面、桥梁、其他三个类别，类别编码在TerraSolid软件里分别为2、6、1。激光点云分类时不要去除相邻航带重叠区。

(2)DLG

DLG文件使用DWG格式未加密文件，DWG文件版本采用CAD2004，图层符号编码依据GBT 20257.1-2017国家基本比例尺地图图式执行，图形统一采用米为单位。DLG中涉及到的非标准字库和形文件随地形图一并提供。地形图所采用的工程坐标系统定义、成图时间等信息统一图外注记。所使用的控制点展点在地形图上，地形图上加注地名注记。DLG以线路轴线方向直线长度每隔5km左右进行分幅。

(3)DOM

DOM采用24位真彩色TIFF格式带TFW坐标文件，TIFF文件均不写文件头。DOM的地面分辨率为10cm，背景色(范围线之外的部分和范围线内个别没数据的部分)统一使用黑色，图幅分幅采用1km×1km分幅，按左下角坐标命名，并随DOM一并提供分幅结合图，相邻图幅之间的重叠区域为20m。DOM直接在工程坐标系下纠正镶嵌分幅，避免二次重采样。

(4)DEM

DEM采用32位浮点型TIFF格式带TFW坐标文件，TIFF文件均不写文件头。DEM格网间距0.5m，DEM分幅采用与DOM一致的分幅，相邻图幅之间的重叠区域为20m。

2.3 技术标准

本项目执行的技术标准如表1所示：

表1 技术标准

2.4 机载激光雷达系统

本项目采用小型机载激光雷达系统，具体技术指标如表2所示：

表2 SE-J1200A型激光雷达主要技术参数

2.5 点云数据生产方案

2.5.1点云数据计算

(1)解算飞行航迹

通过地面基准站的GPS数据与机载GPS数据的差分GPS解算，精确确定航摄过程中飞机的航迹，再与IMU数据进行耦合处理，得到飞机的姿态信息，最后进行平滑处理，得到飞机在飞行过程中的位置和姿态信息。

(2)三维激光点云的计算

利用数据预处理软件，对飞机航迹数据、激光测距数据及POS数据进行联合处理，得到各个测点的(X,Y,Z)坐标数据，即三维激光点云数据，文件格式为*.las。

(3)计算改正数

由于各种误差的存在和影响，使得数据存在系统误差和随机误差，造成平面误差和高程误差，使用terrasolid中点云处理模块分出每条航迹的地面激光点，再用terrasolid中的点云匹配模块匹配地面激光点云，通过重叠部分的激光点云计算得到航迹间的改正数来消除这种不符值。

(4)数据的噪声和异常值剔除

由于水体对激光的吸收、镜面反射以及其他原因，使有些地面点无明显的回波信号，以至于得不到测距值，另外由于电路、飞鸟、局部地形等原因，也会使数据中产生异常距离值，我们必须剔除这些错误的值，即粗差点。

2.5.2点云数据质量检查

点云数据质量检查主要检查点云密度、点云高程精度、点云平面精度及航带间公共点较差。

点密度采用TerraSolid软件的TerraScan模块进行检查，搜索范围设定500m；点云高程精度及平面精度采用外业采集的地物特征点应用TerraScan软件进行统计分析，计算最大误差、最小误差及中误差；航带间公共点较差结合TerraScan和TerraMatch软件选择同一明显地物，如尖角房屋，不同航线获取的点云数据用不同颜色显示，通过俯视图及侧面截图测量确定航带公共点的平面误差及高程误差。

2.6 DEM数据生产方案

2.6.1DEM数据要求

DEM采样间隔：0.5m；

DEM数据格式：*.tiff；

成图范围：按测区范围；

DEM精度要求和检查：高程中误差不大于±0.75m。

2.6.2DEM数据生产

经过预处理得到的激光点云地面数据及激光点云地表数据都在同一层，需要通过激光点云分类软件对激光点云数据进行精确分类，通过插值拟合，生成高精度DEM，并且要进行严格的质量检查，确保最终数据成果DEM的质量，DEM数据生产作业流程如图1所示。

图1 DEM数据生产流程

(1)激光点云分类

经过预处理的激光地面数据及激光地表数据都在同一层，为方便我们管理和数据进一步的处理，需要把不同类的点云进行滤波处理放在不同图层中，根据委托方对数据的用途，需要用专业软件对激光点云进行精确分类处理，分别为默认点、地面点、植被点和建筑点等。精确分类的激光点云数据质量，对于后期数据成果精度至关重要，需要对分类的激光点云数据进行自检、互检以及质检部的最终检查才能进行后续的数据处理工作。

(2)DEM的自动生成

用Terrasolid软件对激光点云数据进行分类处理后，选择地面激光点，保证其全部高程点贴近地表面，则自动生成数字高程模型。

(3)精度检查与评价

通过外业采集的检查点高程值与内插出的DEM高程值作比较，评价DEM精度。

2.6.3DEM质量检查

(1) DEM质量检查内容

DEM数据格式；

DEM高程有无异常值；

DEM精度；

DEM的坐标系统、投影方法及高程基准；

上交的成果及文档。

(2)DEM质量检查方法

结合激光点云数据，分类激光点云数据与制作生成的DEM数据进行对比检查；

结合外业检查点数据与DEM数据成果进行对比检查。

2.7 DOM数据生产方案

2.7.1DOM数据标准

DOM影像分辨率：0.1m；

DOM数据格式：带tfw文件的tiff 格式；

DOM成图范围：按测区范围。

2.7.2DOM数据生产

DOM数据生成是在Microstation软件中加载Terraphoto和Terrascan模块，对激光雷达系统同时获取的真彩色数码影像在空三加密后利用激光点云生成的地面模型进行正射纠正，再通过该软件对影像进行拼接和整体匀色，最后进行裁切分副，得到要求图幅大小的正射影像成果，DOM数据生产作业流程如图2所示：

图2 DOM数据生产流程

(1)正射纠正和变形检查

TerraPhoto是TerraSolid公司利用地面激光点云作为映射面对航空影像进行正射纠正，生产正射影像的软件，是专门用于在LiDAR系统飞行时产生的影像做正射纠正的，整个纠正过程可以不使用相片加密控制点条件下执行。

利用TerraPhoto影像纠正模块，输入相关参数，地面分辨率为0.10m，对影像进行连接点添加、空三平差计算以及单片数字微分纠正。

对纠正后的影像进行质量检查，检查影像是否失真、变形、发虚、拉花等现象，尤其是房屋、桥梁和道路的扭曲变形等。针对不同的现象，采用不同的方法进行修整处理，如桥梁影像的变形，采取编辑DEM、分别纠正地面影像和桥梁，然后再拼接的方法解决，既可消除影像变形又保证了影像的几何精度。

(2)影像镶嵌及匀光匀色

原始照片获取格式为IIQ无损格式，使用Capture One软件将格式转换到JPG，在格式转换过程中，可同时进行单张照片的匀光匀色处理。

通过单张影像的数字微分纠正，得到单幅纠正的正射影像，还需要将多个单片纠正影像通过镶嵌获取大面积的数字正射影像；同时由于每张影像的获取时间不同，存在色调、饱和度、对比度等不一致的情况，需通过匀光匀色处理，使得整个测区的正射影像色调基本一致、色彩丰富。

正射影像的镶嵌、分幅采用EPT2.0软件。在该处理过程中需注意在镶嵌过程中进行拼接线的编辑，使得拼接线不穿越建筑物，拼接线尽量沿线状地物分布，从而避免成果数据中地物的错位、断裂等现象。

2.7.3DOM质量检查

(1)DOM质量检查内容

DOM地面分辨率及起止点坐标；

DOM影像质量；

DOM接边的正确性；

DOM的平面位置精度；

DOM的坐标系统及投影；

上交的成果及文档。

(2)DOM质量检查方法

把测区所有正射影像导入到EPT2软件中，查看整个测区的影像，有无明显的影像变形、影像信息缺失和影像错位,影像图应清晰、反差适中、色调均匀；影像不应有重影、模糊或纹理断裂等现象，影像应连续完整，灰度无明显不同；对于彩色影像，色彩应平衡一致；覆盖范围内的影像应无漏洞，导入外业RTK测量的特征点坐标，软件自动根据拾取位置和测量点位坐标对比，检查影像的平面精度并生成精度报告。

2.8 DLG数据生产方案

DLG数据生成是在AutoCAD软件中加载cass模块，在DOM数据成果基础上，对地物进行的矢量化处理，对于植被遮挡地区、坡坎地区需结合点云数据进行判读，DLG数据生产作业流程如图3所示：

图3 DLG数据生产流程

利用南方CASS对制作出的正射影像结合DEM进行矢量化处理，得到测区内的地物信息，水系、道路、电力设施等公共设施，以及居民地、测区地势、等高线等信息，按照生产规范制作数字线划图。

(1)DLG质量检查内容

DOM地面分辨率及起止点坐标；

DLG 地物要素完整性；

DLG地物逻辑正确性；

表3 数据成果交付表

DLG的平面、高程位置精度；

DLG的坐标系统及投影；

上交的成果及文档。

(2) DLG质量检查方法

把测区所有正射影像导入到南方CASS中，对比DLG与DOM，有无明显的地物信息缺失，水系流向错误，电力线缺失，房屋结构不合理，等高线高程点是否合理。

2.9 归档成果

本项目最终提交成果如表3所示。

3 结语

机载激光雷达技术在工程应用中可快速获取高密度三维激光点云及高清影像，快速处理获得DEM、DOM及DLG等高精度地理信息数据，无需布设大量外业控制点，无需大量外业调绘，自动化程度高，数据生产周期短，应在工程测量中普及应用。