垂直摄影测量和机载激光雷达...大比例尺地形图测绘中的应用_邢烨.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023垂直摄影测量和机载激光雷达在大比例尺地形图测绘中的应用邢烨(广东省重工建筑设计院有限公司，广州 510700)摘要:针对垂直摄影测量生产地形图存在的高程精度不稳定、超限等问题，提出将垂直摄影测量与机载激光雷达测量相结合，生产大比例尺地形图，即利用垂直摄影测量采集地形图平面信息，利用机载激光雷达技术获取地形图高程信息，以实际项目对此方法进行了验证。结果表明，此方法生产的地形图精度满足 1500 的地形图要求，可为大比例尺地形图生产提供参考。关键词:垂直摄影;机载激光雷达;大比例尺地形图;高程精度中图分类号:P231文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0159 03Application of Vertical Photogrammetry and AirborneLaser Radar in Large Scale Topographic MappingXing Ye(Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute CO.，LTD.，Guangzhou 510700，China)Abstract:According to the unstable and overrun height accuracy in the measurement of topographic map withphotogrammetry，the study proposes the combination of vertical photogrammetry and airborne laser radar measurement，and the production of large scale topographical map，i.e.topographic map plane information can be collected withvertical photogrammetry，and topographic map elevation information can be collected with airborne laser radartechnology.Then the study verifies the method with actual project.The results show that the precision of topographicmap produced by the method meets the requirements of 1 500 topographic map.This can provide reference for theproduction of large scale topographical map.Key words:Vertical photography;Airborne laser radar;Large scale topographic map;Height accuracy收稿日期:2022 11 29作者简介:邢烨(1984 )，男，高级工程师。大比例尺地形图也称为数字线划图，是摄影测量4D 产品的重要组成部分。采用垂直摄影测量方式生产大比例尺地形图具有效率高、作业周期短、外业工作量小、成本低、应用范围广等特点，但其高程精度不稳定，易超限。近年，机载激光雷达发展迅速，将其搭载在无人机上，结合高精度定位定姿装置，可快速得到高精度、高密度的地面实际高程值数据，基于点云数据可得到高精度的高程点和等高线，从而得到高精度的地形图成果。介绍了垂直摄影测量和机载激光雷达技术，以实际生产项目为例，对二者相结合的作业流程进行说明，利用采集的特征检查点，对地形图精度进行验证。结果表明，采用垂直摄影测量方法生产的地形图无法满足 1500 的精度要求，联合机载激光雷达技术生产的地形图，其高程精度可满足 1500 地形图要求且高程精度均匀，可作为大比例尺地形图生产的一种有效作业模式。1垂直摄影测量与机载激光雷达测量垂直摄影测量是在飞行平台上搭载一台航摄仪，从空中对地面进行垂直影像数据采集，在获取影像数据的同时得到航摄影在空中曝光时的姿态和位置。利用摄影测量软件，将影像和 POS 数据导入其中，输入相机参数，结合共线方程等相关算法，快速得到空三加密成果。转刺像控点，将 POS 坐标系下的成果转入到大地测量坐标系下，完成坐标系的转换。基于绝对定向后的空三加密成果，完成数字线划图、数字正射影像等测绘产品的生产。机载激光雷达是在飞行平台上搭载激光发射设备，从空中垂直地面发射激光束，激光束在碰到障碍物后沿原路返回。由于其搭载着高精度的 GPS/IMU 设备，结合激光束往返时长、光的传播速度等参数，获取951障碍物的真实高精度三维坐标，得到地面上高精度、高密度的三维点坐标，从而获取某一点的精确高程值。2垂直摄影联合机载激光雷达生产 DLG的作业流程利用垂直摄影测量，基于立体像对或数字正射影像，采集道路、河流、房屋等地物，利用机载激光雷达测量技术，得到高程点、等高线等成果。二者相结合生产大比例尺地形图的作业流程如图 1 所示。图 1DLG 作业流程Fig.1DLG work flow3案例分析某项目任务区属于丘陵地，要生产 1500 地形图，面积大，工期紧，采用传统全野外作业无法按时完成任务。在分析了垂直摄影测量后得知，该技术生产的地形图平面精度可达到规范要求，但高程精度无法保障。对机载激光雷达技术分析测试后得知，其可很好地解决高程问题，故本次 1500 地形图生产决定采用垂直摄影测量和机载激光雷达来共同完成。3.1数据采集数据采集前，在航线规划软件中完成了无人机航线规划。设置地面采样分辨率为 4 cm，航向、旁向重叠度为 70%，采用相机焦距为 35 mm。按照固定航高方式完成任务区航线规划，在航向上外扩 3 个展点，旁向上外扩 2 条航条，选择天气状况良好的时间段，完成影像数据采集、机载激光雷达航线规划及点云数据采集。目前，无人机搭载的定位设备的精度无法满足测绘要求，因此需采集适量的像控点来提升空三加密成果的精度。数据生产中，按照 500 m 的距离均匀布设像控点，采集点位时考虑到点位范围内至少 6重叠，对于最边缘的航线，要求像控点最少 3重叠。利用GPS RTK 完成像控点数据采集，在精度薄弱区域均匀采集 16 个特征检测点，用来对后期地形图的平面精度和高程精度进行检测。3.2数据处理采用人机交互方式，对航飞得到的影像质量进行检查。影像对比度明显，亮度清晰，无穿云现象，POS数据和影像数量一致。影像数据解算采用 PIX4D 软件，新建工程，导入影像数据和 POS 数据，设置成果输出坐标系，提交并完成空中三角测量解算。导入像控点和检测点，完成像控点及其检测点的转刺，设置点的类型，利用像控点对空三成果进行平差调整，得到大地测量坐标系的空三加密成果。查看平差报告，像控点精度符合 1500 11 000 12 000地形图航空摄影测量内业规范 中相关精度要求，空三质量良好。设置影像输出分辨率为 0.05 m，DSM 输出分辨率为 1 m*1 m，提交并完成影像数据的生产。得到的0.05 m 影像数据量大，加载到 CASS 软件中卡顿明显，影响地形图采集效率，利用分幅软件对其分幅，这样可提升加载速度和采集效率。生产的部分正射影像图如图2 所示。图 2数字正射影像Fig.2Digital orthoimage对于得到的机载激光雷达数据，对其进行滤波处理，剔除一些错误点和飞点，对其进行分类，将非地面点全部分类出来。由于目前的算法无法准确对非地面点进行分类，所以在分类后要采用人机交互的方式，对分类后的成果进行查看编辑，确保得到的点云成果都是地面点。对点云处理时，选用目前主流的 LIDAR360软件，完成点云数据的滤波和分类，对于滤波后产生的061空洞，利用周边点云的高程对其进行填充，对于未准确分类的点云，不断调整分类参数，对其进行处理，得到高质量的点云成果。3.3地形图生产为了对比两种方式得到的高程精度，利用 EPS 软件，将 PIX4D 软件生产得到的 DOM 和 DSM 成果加载到 EPS 软件中，完成 EPS 软件可以加载的 DSM 索引成果，按照地形图采集要求，在 EPS 软件中完成1500地形图的全要素采集。第二种得到高程点和等高线的主要作业方法如下:结合数字正射影像和点云数据，在需要采集高程点的区域采集高程点。对于无建构筑物区域，利用密集的点云生成等高线，对于建构筑物部分，利用手动采集的高程点来生成等高线并对其进行修改，得到符合要求的等高线成果，将平面部分和高程部分成果合并，得到最终的地形图成果。部分区域采集的地形图成果如图 3 所示。图 3数字线划图Fig.3Digital line drawing4精度评定利用实地采集的 16 个特征检测点，对两种方式生产得到的地形图精度进行检测。由于平面成果采用的地形图成果是相同的，因此对于平面位置精度的检测只需进行一次，检测结果见表 1。表 1检测点平面位置较差统计表Tab.1Statistics of poor plane position of detection points点号较差 DS(cm)点号较差 DS(cm)点号较差 DS(cm)点号较差 DS(cm)JCD0115.9JCD0525.3JCD0931.2JCD1318.9JCD0225.6JCD0625.6JCD1022.5JCD1426.7JCD0318.9JCD0715.9JCD1126.9JCD1533.4JCD0424.1JCD0825.3JCD1235.1JCD1631.3由表1 可知，16 个检测点的算数平均值为25.2 cm，精度满足 1500 地形图要求。利用检测点对两种方式得到的高程成果精度进行检测，检测结果如图 4 所示。图 4两种方案高程较差统计柱状图Fig.4Statistical histogram of two kinds of schemes由图 4 可知，采用垂直摄影测量方案得到的地形图的高程精度最小约为 30 cm，最大约为 85 cm，精度无法满足 1500 地形图要求。而采用机载激光雷达方案得到的地形图的高程精度最小约为 20 cm，最大约为 45 cm，精度满足 1500 地形图要求。5结束语以实际项目为例，采用两种方案生产地形图的高程点和等高线，利用外业采集的检测点对两种方案得到的地形图成果精度进行检测。对检测结果进行分析可知，采用垂直摄影测量方式生产的地形图，其平面位置满足 1500 精度要求，但高程精度无法满足，采用机载激光雷达生产的地形图，其高程满足 1500 精度要求，因此将两种作业方案相结合，可得到高质量、高精度且满足 1500 精度要求的数字线划图成果。参考文献:1 熊威，焦明东，李云昊，等.基于机载激光雷达的大比例尺地形图测绘应用实践J 测绘与空间地理信息，2022，45(08):237 239，244.2 蒋小海.机载激光雷达在山区大比例尺地形图采集中的应用J智能城市，2021，7(22):58 59.3 姜丙波，柳忠伟，彭云，等.无人机机载激光雷达在抽水蓄能电站大比例尺地形图测绘中的应用J 测绘通报，2021，(S1):248251.4 李国希.垂直摄影测量和倾斜摄影测量在生产大比例尺地形图中的对比分析 J 科技创新与生产力，2022，(05):62 64，68.5 王国仁.基于垂直摄影生产大比例尺地形图的两种方式对比分析 J 科学技术创新，2021，(15):22 23.6 郑爽.无人机摄影测量测绘大比例尺地形图的精度分析D 兰州:兰州交通大学，2022.7 郝立贞，赵洴，葛亚建，等.三维激光点云数据在 1 500 地形图成图方面的应用 J 现代测绘，2022，45(03):43 45.8 罗琪.机载