机载LiDAR技术在地形图测绘中的应用分析

摘要：机载LiDAR是一种新型地形图测绘技术，可快速、及时、准确地获取地表数据，自动化程度高、数据生产周期短。本文首先分析了机载LiDAR技术原理，其后详细探讨了机载LiDAR技术在地形图测绘中的应用要点，最后围绕具体案例展开论述，以期可供参考。

关键词：机载LiDAR技术;原理;组成;地形图测绘;应用

1 引言

机载激光雷达作为一种新型对地观测技术，具有主动性、穿透性及直接获取三维信息等优点，并且受天气、地形变化、地物阴影及植被覆盖的影响相对较小，目前已經成为地形图测绘的主要手段之一。面向复杂地形条件，机载LiDAR有效提升了数据采集效率，克服了测区地形起伏较大、环境恶劣、人工测量危险系数高等困难，具有极大的推广应用价值。

2 机载LiDAR技术原理

2.1机载LiDAR系统组成

机载LiDAR技术是一种综合利用空间定位、惯性测量、激光扫描等多种测量手段的主动式对地观测技术，能够快速、精确地获取地表地物三维数据。机载LiDAR系统集多种设备于一身，具体组成如图1所示。

2.2机载LiDAR技术特点

结合理论与相关实践，传统航摄技术与机载LiDAR技术两种生产方式技术特点对比见表1。

利用机载LiDAR技术进行DEM生产需要考虑成本、技术可行性、人力物力投入等多种因素，具体优缺点分析如下：

（1）优点：①高精度：机载LiDAR数据的平面精度可达0.1～0.5m，高程精度可达万分之一的飞行净空高，高程精度可达分米级;②高效率：省去空三加密流程;③自动化程度高：飞行过程及后期成果制作大多可依靠软件完成;④后处理技术强大：经处理能够获得DEM、DSM、植被参数等多种成果数据。

（2）缺点：①仪器昂贵，且激光器寿命较短，数据获取成本较高;②不结合光学影像的情况下缺乏纹理信息;③数据离散，地形特征欠描述。

3 机载LiDAR技术在地形图测绘中的应用要点

3.1应用流程

机载LiDAR地形图生产流程包括两个阶段：外业的数据获取、内业的数据处理。基本流程如图2所示。

3.2关键应用要点

3.2.1数据获取

通过采集目标体反射的激光束实现信号的采集。在山地林区，由于植被茂盛、树叶浓密，激光束会有多次反射，故LiDAR将采集多个数据点。在航飞中需要选择合适的飞行参数和飞行方案。通过地面基站差分的方式提高了机载GNSS的精度，最终获得高精度的点云数据。

3.2.2数据处理

使用点云分类软件中基于不规则的三角网滤波算法来分离地面点，然后通过设定相应的阈值产生不同的滤波结果，利用最大建筑尺寸、迭代角、迭代距离、最大地形坡度角来控制地面点的分类精度，从而分类出不同地物。

人工编辑是结合影像和剖面图对滤波分类效果较差的区域进行手动调整，主要包括噪声点剔除、补回地表数据和去除非地表数据。值得注意的是，人工编辑需要遵循以下原则：可以将需要去除的点放在其他图层但不得删除点;不得更改点的坐标、回波次数、回波强度等原始信息。在完成点云数据的编辑后，可将数据按照所需标准进行DEM输出。

4 工程案例

4.1测区概况

本项目在某县区取1km2区域进行1∶500比例尺的机载LiDAR免像控地形测量，该区域为典型丘陵地形，地势复杂、植被茂密，交通不便。目标成果技术要求为平面坐标系采用2000国家大地坐标系，3°带高斯投影;高程基准为1985国家高程基准，基本等高距为1m;精度要求参照GB35650—2017《国家基本比例尺地图测绘基本技术规定》中1∶500比例尺精度指标：平面地物点中误差0.3m，高程注记点和等高线相对高程控制点中误差分别不大于0.4m和0.5m。

4.2技术流程

利用无人机机载LiDAR免像控技术进行大比例尺地形测量包括外业采集和内业数据处理两部分工作。外业数据采集包括踏勘、航线规划、航空测量及飞行时基准站的架设测量;外业采集后进行数据下载与预处理、坐标解算、点云分类与正射影像制作、地形地物数据采集与图件编制等，其技术流程如图3所示。

4.3数据采集

4.3.1踏勘

将测区范围线导入历史影像数据，初步分析掌握测区的地形、地物、交通分布情况，项目正式实施前，进行实地踏勘，掌握测区详细情况，为航线规划提供更丰富的依据。踏勘时重点关注道路是否便利通畅，公路、铁路、乡村道路等分布及可通行情况等;山脉、水系、主要地貌类型和特征、平均高程、最高地形点和地物点等;测区风力、雨雾、气温、气压等情况，及时查看近期天气预报;周边控制点、水准点及点坐标的坐标系统，点位数量与分布、标志的保存情况，CORS信号有无覆盖及稳定性等。

4.3.2基站架测

因外方位元素的准确度直接影响成果图件的数学精度，若基准站位移偏差，则会引起移动站（机载传感器）整体偏差，最终引起成果出现系统误差，故基准站点选择和观测精度直接关系到图件成果精度。

基准站应选择在测区空旷区域，基准站坐标利用CORS系统按照一级RTK控制点要求测出2000国家大地坐标系平面坐标和1985国家高程值。在控制点位架设基站，严格对中和整平，对中误差不应大于1mm，卫星观测截止高度角15°，PDOP值小于6，天线高测量分别从脚架三个方向测量，读数精确至1mm，互差应小于3mm，最后取平均值作为天线高。

4.3.3航线规划

使用4旋翼大黄蜂无人机搭载AS-900HL多平台激光雷达系统和单镜头相机，对山地区域按3个架次飞行，设计相对起飞点航高90m、飞行速度7.5m/s、航向间距60m，共3分为个架次，24条航线，点云经处理后达到30点/m2。

4.4数据处理

激光雷达测量系统采集得到的原始数据主要包括GNSS基准站数据，机载移动站GNSS与惯导数据，激光扫描点云和影像数据等。

4.4.1POS解算

InertialExplorer软件是一款强大、可配置度高的事后处理软件，可用于处理GNSS、INS数据，提供高精度组合导航信息，包括位置、速度和姿态等信息。在软件中将基准站静态GNSS數据、机载GNSS数据、IMU数据导入进行联合解算，得到航迹文件;解算后对位置精度、姿态指标、位置分离和IMU处理情况等进行质量检查，确认无误后输出轨迹文件。

4.4.2点云解算

点云原始数据记录了光脉冲的发射与返回时间、发射角度、返回强度、回波次数等基本信息。解算采用CoPre-移动测量数据预处理软件进行。可通过GNSS信号值自动过滤POS轨迹，快速实现原始激光数据的解算并自动分段输出LAS格式点云。解算过程中通过距离滤波、灰度值滤波和跳跃噪点滤波对数据进行多次回波分类。

4.5DOM制作

为了方便地物判读，将采集影像制作DOM用于辅助测图，正射影像的制作使用讯图天工软件经匹配DSM、正射纠正、生成DOM、匀色和修复等生成DOM成果图件。

4.6线划图编辑

主要包括点云分块、点云测图、缺漏部位补测等环节。点云测图时，为了辅助地物的识别将点云数据和DOM套合，对精度要求高的地物及通过点云易识别的地物直接基于点云绘制，对于其他地物则参考影像进行绘制。测图图式按GB/T20257.1—2017《国家基本比例尺地图图式第一部分：1∶5001∶10001∶2000地形图图式》中的规定执行。

地物绘制使用CoSurvey软件进行。该软件基于AutoCAD平台，以点云数据为基础，以正射影像为参照，结合范围预览、切片调节、地物搜索等对具有立面的数据如建筑物，在点云上进行高精度采编，利用切片工具建立切片，通过调节切片到合适的高度，对建筑物、构筑物等地物进行测图。

等高线制作时，首先对点云数据进行滤波分类，获得准确的地面点数据，然后根据地面点数据内插TIN生成DEM，基于DEM自动生成等高线。

裸露地表只有一次回波，回波对应的反射点即为地面点，植被覆盖区可能对应多次回波，一般最后一次回波对应的反射点为地面点。从同一块区域点云分类前后看，在植被茂密区域，利用点云综合处理软件CoProcess将地表植被剔除留取地面点云数据，可清晰反映出植被下的地表形态，为地形测绘提供精准的基础数据。

高程点采集在CoSurvey上完成，批量提取时使用对原始点云进行滤波分类后的地面点数据，设置高程点提取格网进行提取;手动提取时则选择注记位置提取单个高程点。

4.7数学精度评定

经统计，检测点较差均在允许中误差22倍以内（84.6cm）;平面点位中误差为14.7cm，最大点位较差67.3cm，最小点位较差0.1cm，点位较差在30cm以内的占检查点数量的86.00%，点位较差在35cm以内的占检查点数量的94.00%，点位较差值主要分布在25cm以内;高程点粗差率0%，最大点较差48.9cm，中误差11cm，所有点位较差均在允许中误差22倍以内，高程值较差在35cm以内的占检查点数量的96.9%，点位较差值主要分布在20cm以内。由此可得，机载LiDAR技术所获得数据成果的平面和高程精度完全满足1∶500地形测量要求。

5结语

综上所述，机载LiDAR技术可以穿过植被间隙获取树下真实地形，具有能够直接记录地表地物点三维坐标的优势，很好地弥补了传统航摄作业方式的不足，有助于提高地形图测绘质量与效率，推动传统测绘优化。机载 LiDAR 系统作业过程中，必须根据测区情况科学开展外业数据采集与内业数据处理工作，高效、精确的完成地形图的制作。

参考文献：

[1]杨新忠.机载LiDAR技术在密林地区地形图测绘中的应用[J].北京测绘，2019，33（06）：729-732.

[2]黄克城，宋时文，阎凤霞.机载LiDAR技术在地形图测绘中的应用[J].地理空间信息，2016，14（04）：99-101+12.

[3]王佑武.机载LIDAR系统在高山困难地区地形图测绘中的应用[J].甘肃科技纵横，2015，44（05）：25-26+13.

作者简介：胡艳莲（1984-），女，湖南益阳人，工程师，本科，工作方向：测绘。