机载激光雷达在大比例尺DEM生产中的应用

焦明东 李云昊 彭 健 熊 威 张国建

(1.济南市勘察测绘研究院, 山东 济南 250000; 2.山东建筑大学, 山东 济南 250000)

0 引言

数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是地表形态的数字化表达,蕴含了丰富的地形地貌信息,已成为空间数据基础设施和数字地球的重要组成部分[1]。其中大比例尺DEM数据在科学、工程、军事、社会经济等领域发挥着基础重要作用,为国家基础信息设施、智慧城市与防灾减灾等各个领域提供决策支持[2]。

目前国内生产大比例尺DEM较为常见的技术手段为全野外数字测量的传统测绘方法以及倾斜摄影测量方法[3]。此类技术发展日趋完善,但仍存在较为明显的技术短板,传统测绘已无法满足当今时代对于精准、快速获取数据的需求,而倾斜摄影测量不仅需要布设大量的像控点,而且三维模型生产需要高性能计算机集群进行运算,同时对于植被覆盖茂密的区域,精度无法得到有效保障。随着现代社会高新技术的不断进步,激光雷达测量技术应运而生,激光雷达测量技术为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段,提高了观测的精度和速度,使数据的获取朝智能化和自动化的方向发展[4]。因而，该技术在河道整治、电力巡线、地籍测绘、工程地形测绘、应急救灾[5-8]等领域逐渐开始应用。然而,在大比例尺DEM数据获取中的应用还鲜有文章提及。本文以济南市一处典型的规划建设区为例,提出利用机载激光雷达测量技术采集大比例尺DEM数据的作业方案,并与倾斜摄影测量对比,采用全野外数字测量方法对其精度进行验证,验证了机载激光雷达测量在制作大比例尺DEM数据中的优势。

1 机载激光雷达系统工作原理及技术流程

1.1 工作原理

机载激光雷达系统是一种主动式对地观测系统,它集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、差分定位系统(Differential Global Position System,DGPS)于一体,激光扫描仪是该系统的核心组件,它的工作原理是通过激光发生器发射一束窄脉冲,接收器接收窄脉冲与目标接触后的反射波信号,通过计算脉冲发射到接收反射波信号的时间间隔,得出激光器与被测物体的距离。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。通过机载的差分(Global Position System,GPS)定位器获取激光扫描仪空间坐标为(x0,y0,z0),利用惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)获得飞行过程中的姿态角度(ω,φ,κ);然后激光扫描仪获取到激光扫描仪至被测物体之间的距离为D,由此计算出此刻地面上被测物体的空间坐标(x,y,z)。

1.2 技术流程

本次试验过程主要分为作业准备、数据采集、数据处理、精度检核、成果输出,其技术流程如图1所示。

图1 作业流程图

2 实验分析

为验证机载激光雷达在大比例尺DEM数据获取中的优势,本次试验选择华测AS-300HL多平台激光雷达测量系统、南方SZT-R250移动测量系统、海达ARS200轻型机载三维激光扫描系统对试验区进行数据采集,将机载激光雷达采集数据与倾斜摄影测量数据进行对比,同时采用实时动态载波相位差分技术(Real Time Kinematic,RTK)、全站仪的全野外数字测量方法对采集的数据进行精度验证。

2.1 试验选址

划定试验区范围,试验场地面积约为0.6 km2,场地包含简单(地表附着物较少、地势平坦)、较复杂(地表有稀疏高大植被,沟、坎等常见地物地貌有少量分布)和复杂(地表有高大植被、低矮茂密灌木丛,沟、坎等常见地物地貌)。三种类型区域面积分别为0.3，0.1，0.2 km2。

2.2 数据采集

试验区前期已完成倾斜摄影测量,本次采用机载激光雷达测量对试验区进行点云数据采集,同时使用RTK、全站仪进行精度检测。

2.3 数据处理

2.3.1原始数据解算

原始数据采集完成之后,通过采用各自的数据解算软件把IMU、GPS以及激光测距数据解算成轨迹定位定姿系统(Position and Orientation System, POS)文件和激光点云文件。

2.3.2点云数据处理

原始激光点云数据包括了测量区域内所有地物的全部特征,通过相应软件的地面点分类功能,将原始点云数据中的地表面点云数据保留,按照规范要求,对地面点云数据进行抽稀和选择性保留工作。

2.4 效率、精度分析比对

使用RTK和全站仪对试验区高程进行检测。上方无遮挡、RTK信号好的区域,使用RTK采集高程点；上方有遮挡、RTK信号不好的区域,使用全站仪采集高程点。

2.4.1选点情况

根据试验场地的实际情况,将试验区分为简单、较复杂和复杂三个区域。其中,简单区域采集村居内硬化地表、村庄周围农村道路高程,较复杂区域采集附着稀疏植被的地表高程,复杂区域采集有茂密乔木、灌木等严重遮挡处地表高程。

2.4.2精度比对

使用RTK和全站仪采集现状高程点共200个,内业编绘时在展点位置采集激光雷达点云模型及立体影像模型的高程数据,进行高程精度比对。

(1)简单区域高程精度比对

使用RTK采集简单区域地面点高程,选取其中有代表性的50个高程点,分别与海达、华测和南方激光雷达数据、倾斜摄影测量数据进行对比,并计算中误差。通过计算可知,海达、华测、南方激光雷达和倾斜摄影测量在简单区域获取高程精度分别为0.036,0.038,0.033,0.042 m,激光雷达技术获取高程精度优于倾斜摄影测量技术。

(2)较复杂区域高程精度比对

使用RTK采集附着稀疏植被的地表高程,选取其中有代表性的50个高程点,分别与海达、华测和南方激光雷达数据、倾斜摄影测量数据进行对比,并计算中误差。通过计算可知,海达、华测、南方激光雷达和倾斜摄影测量在较复杂区域获取高程精度分别为0.061,0.061,0.054,0.083 m,激光雷达技术获取高程精度优于倾斜摄影测量技术,具体数据如表1所示。

表1 较复杂区域高程检测表 单位:m

(3)复杂区域高程精度比对

因倾斜摄影测量无法获取茂密植被下的地表高程数据,在复杂区域只对激光雷达数据进行高程精度对比。使用全站仪采集茂密乔木、灌木等严重遮挡下的地面高程,选取其中有代表性的100个高程点,分别与海达、华测、南方激光雷达数据进行对比。通过计算可知,海达、华测、南方激光雷达在复杂区域获取高程精度分别为:0.071,0.069,0.065 m,具体数据如表2所示。

表2 复杂区域高程检测表 单位:m

通过对比分析可知,机载激光雷达测量精度完全可以满足1∶500 DEM数据精度要求,在复杂地形条件下的表现远超倾斜摄影测量。

3 结束语

本文以济南市一处典型试验区为例,分别使用机载激光雷达、倾斜摄影测量和传统全野外数字化测量方法对该试验区进行数据采集,并构建相应的大比例尺DEM,得到以下主要结论:

(1)机载激光雷达系统具有高效率和速度快的特点,尤其在倾斜摄影测量无法穿透的植被茂密区域发挥了独有的优势,可以大幅度提高工作效率,缩短作业工期,降低生产成本。

(2)机载激光雷达技术完全可以满足大比例尺DEM数据精度要求(中误差≤0.200 m)[10],且精度优于倾斜摄影测量。