基于机载激光扫描技术的城市大比例尺地形测绘

朱增锋 李明月 付云强

（1.河北利宇资源环境科技有限公司,河北 保定 071000;2.河北省区域地质调查院,河北 廊坊 065000）

0.引言

机载激光扫描技术起源于二十世纪七八十年代的加拿大和美国。利用机载激光扫描获取的数据包含空间三维信息与强度信息，在制作数字正射影像、数字高程模型等产品中有着广泛的应用。目前世界上多家公司有较为成熟的机载激光扫描系统，以英国IGI公司的某一机载激光扫描系统为例，可以每秒向外发射超过24000个点来获取地面的三维点坐标[1]。

近年来，机载激光扫描技术逐渐成熟，其在石油、水利、电力、国土资源调查等多行业有着广泛的应用。目前国内利用机载激光扫描技术进行地形图测绘的主要应用为中小比例尺地形图测绘，鲜有利用机载激光扫描技术进行大比例尺地形图测绘[2]。本文以城市区域1∶1000地形图测绘为例，研究基于机载扫描技术的1∶1000大比例尺地形图测绘。以直升机平台搭载华测导航AS900激光扫描系统进行数据采集，对采集得到的数据进行矢量提取、外业调绘、数据编辑，最终制作完成测区20平方公里的地形图测绘。本文对利用机载激光扫描技术在城市1∶1000地形图中的技术介绍与应用，可供同类项目借鉴。

1.机载激光扫描技术

机载激光扫描技术是将激光雷达（LiDAR）、GNSS接收机、惯性测量系统（INS）、CCD相机以及控制系统等安装在飞行器上，飞行过程中GNSS接收机接收卫星信号，激光雷达对地观测，通过反射回来的信息来获取地面实体要素的三维坐标信息，进而对三维信息进行加工与处理的技术[3]。机载激光扫描技术（如图1所示）：

图1 机载激光扫描技术

激光扫描技术通过主动式方法得到外界环境信息，不会受到光线、日照等环境的影响。通过机载激光扫描技术获取点云数据可以弥补航摄影像不足带来的影响。本文将通过机载激光点云结合数字正射影像绘制大比例尺地形图，探索整个流程与技术路线，对该方法在城市大范围区域作业的可行性与成果精度进行评价。

2.机载激光扫描及数据采集的作业流程

机载激光扫描主要的准备工作：申请空域、基站测设、直升机型号确定、机载激光系统载荷架的制作、设计技术参数、确认飞行技术要求、制作领航表、系统标定、飞行调试和加油、系统的安装调试和通电测试。本文以测区机载激光扫描为例，进行作业流程的介绍：

（1）多基站静态数据采集：在机载激光扫描作业的同时，在地面基站上架设GNSS接收机与机载移动站GNSS接收机，同步接收卫星信号进行观测，将采样频率设置为1H z，其中地面接收机采集数据的时间需包含机载扫面与静止的整个时间段；

（2）机载激光扫描数据采集：机载激光扫面前需要进行5分钟的初始化，初始化完成以后，直升机开始升空进行动态初始化，紧接着按照预定路线进行数据采集，采集完成落地以后还要进行5分钟的系统静止；

（3）数据拷贝与检查：将扫描数据与机载GNSS接收数据以及基站GNSS数据等拷贝至电脑中，检查数据的完整性与正确性；

（4）机载激光扫描数据解算：首先利用采集的GNSS数据与基站数据进行飞行轨迹的解算，再通过轨迹将原始点云进行解算，并且利用轨迹数据与影像数据制作DOM，最后将机载点云数据与影像数据进行匹配，获取机载激光扫描数据。

机载激光扫描系统激光扫描头（如图2所示）：

图2 机载激光扫描头

3.机载激光扫描数据解算

3.1 POS轨迹数据数据解算

完成点云采集后，使用Inertial Explorer点云处理软件进行数据解算：

（1）新建工程：新建点云工程文件，文件中包含外业采集各类数据，包括IMU数据、GNSS数据等；

（2）数据转换：将外业采集数据格式转为解算软件可识别数据格式；

（3）数据加载：将外野采集GNSS数据加载至解算软件中进行差分解算；

（4）GNSS/INS组合解算：通过GNSS数据解算机载轨迹数据，获得高精度POS数据；

（5）轨迹输出：将包含点云准确位置坐标的轨迹数据以规定格式输出。

Inertial Explorer点云处理软件界面（如图3所示）：

图3 点云处理软件界面

POS数据处理的要求为：

（1）选择距离扫描架次最近的基站数据，联合基站观测的GNSS数据与移动站GNSS数据进行轨迹解算，使用后处理GNSS/INS紧组合模式进行处理，获取高精度飞行轨迹；

（2）输出POS数据格式为WGS84椭球下123°中央经线的高斯投影坐标，高程为大地高。

本文解算得到的机载轨迹数据（如图4所示）：

图4 解算得到的机载轨迹数据

3.2 点云数据解算

机载点云数据的解算流程：

（1）新建工程：在解算软件中新建工程，将点云数据解算需要的原始点云数据以及POS数据加载至工程中；

（2）点云解算：通过轨迹数据与采集的原始点云数据进行点云数据解算，生成机载三维点云；

（3）点云着色：将采集的影像数据与点云数据进行匹配，得到具有彩色信息的点云数据。

本文解算得到的彩色机载点云数据（如图5所示）：

4.大比例尺地形图制作

利用机载激光扫描进行大比例尺地形图制作采用先内后外的作业模式，即先利用点云和影像数据进行内业要素提取，再综合测图成果进行调绘，最后进行数据编辑。对点云缺漏与被遮挡区域，按先外业采集后内业编辑的方式进行补测。本文设计大比例尺地形图制作流程（如图6所示）：

图6 地形图制作流程

基于机载点云数据采集空间环境中各种点、线、面要素，人工获取各要素的平面与高程信息及相关空间属性信息。

4.1 矢量数据采集

以从整体到局部、从清晰到模糊为原则进行大比例尺地形数据提取，对于点云中无法辨识的地物，应进行外业补测与调绘；在进行地物提取时应根据数据库中地物的编码进行要素编码、属性信息的赋予；矢量提取应保证数学精度，基于点云数据与影像数据的物种类的识别与地物提取时，不同地物提取相应的位置，如点状地物提取定位点。

以机载点云提取建、构筑物信息为例，利用机载点云数据进行建筑物矢量提取，提取过程（如图7所示）。通过不断地调整剖面高程，首先确定建筑物场边，其次将所有提取长边进行连接，最后根据短边与长边的关系基于点云数据获取短边。

图7 机载点云提取建、构筑物信息

通过软件平台综合利用机载点云、影像、原有矢量成果等多种数据，实现要素的分类提取，如，范围内建筑物、内部道路、街坊内部主要地形数据等，包括建筑物屋顶等信息。除采集实体名称、平面位置、采集手段、数据来源等公共属性字段，还应采集实体自身必要属性字段，如所属楼层、名称等属性。

4.2 综合补测与调绘

对于点云数据中无法分辨的地物种类以及位置不明确的地物，需要进行实地外业调绘与补测进行地形数据的补充。首先应根据调绘区域的地形特征规划好调绘路线，并且指定相关人员进行调绘。调绘前应根据点云数据与影像数据检查需调绘地形图有无缺漏等错误；调绘过程中应根据合适的符号进行图上标注，便于内业数据编辑。

对于机载激光扫描后变化的地物，应该在图上标记清楚，测区内进行调绘时应保证调绘区域的完整。不同块的测区之间应接边，要素的属性调绘应按照规定执行，对于属性内容调整的，应在技术设计中说明。调绘过程中在图上标记的符号、文字应方便内业人员进行判读，并按照统一的规则进行标注，具体要求也要在技术设计中明确，必要时可用图例加以说明。

4.3 内业数据编辑

以基于点云数据与影像数据提取完成的地形图为底图，结合外业调绘、补测的数据进行内业编辑工作，最终得到完整的大比例尺地形图。某建筑物数据编辑过程（如图8所示）：

图8 建筑物数据编辑

数据编辑时应坚持主次有别、层次分明的原则：通过资料收集与现场调绘完成所有地物的属性添加工作；其中资料收集主要是通过对从有关部门收集到的资料进行电子化梳理，提取有用属性信息；现场调绘主要是指实地对要素属性进行调查，内业梳理后将属性信息添加至对应要素中。本文最终完成编辑的地形图（如图9所示）：

图9 编辑完成的地形图

5.地形图精度分析与评价

为了检验基于机载点云数据进行大比例尺地形图制作的可靠性，通过传统高精度检验点采集方式对制作完成的大比例尺地形图进行精度检验。检验点采集方式为首先通过CORS观测得到测区图根点，再使用全站仪以图根点为控制点，采集建筑物角点、杆类点为检验点。将采集地物检验点与图上同名点进行坐标比对，得到地形图的平面精度与高程精度统计，统计结果（如表1所示）：

表1 精度统计表

按照《城市测量规范》的要求，在平地、丘陵区域，1∶1000地形图平面中误差不得超过0.5m，高程中误差不得超过0.2m；在山地区域，平面中误差不得超过0.75m，高程中误差不得超过0.7m。本文利用CORS结合全站仪进行外业实测，对图上特征点进行精度检测，其中分5个批次对60幅图进行抽样检查，共检测了1800个平面点和1800个高程点。检测结果为：平面中误差为0.26m，高程中误差为0.16m，由于测区位于平地、丘陵区，满足平面0.5m、高程0.2m的精度要求。从检测结果看，利用机载激光扫描技术进行城市大比例尺测图的数学精度可以达到相关规范的精度要求。

6.结束语

对于城市区域的大比例尺地形图制作，由于传统测图方式存在周期长、人力成本高、数据采集困难等问题，已逐渐无法满足新形势下的地形测绘需求。作为一种可快速、高效采集空间数据的新型测绘技术，机载激光扫描技术的出现为大比例尺地形图测绘带来了新的作业方式。本文以影像数据和机载点云为源数据进行城市大比例尺地形图测绘，并且通过外业检验点验证了成图精度，有效缩短了工期，节约了成本，表明通过机载激光扫描技术进行城市大比例尺测图是切实可行的。总之，随着科技的不断发展，机载激光扫描技术将会在大比例尺地形测绘中扮演越来越重要的角色。