机载LiDAR技术在第三次全国国土调查中的应用及精度分析.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o gy a n d Eq u ipmen tVo e.25 No.1Ma e.2023机载LiDAR技术在第三次全国国上调查中的 应用及精度分析王永锋王永锋(广东省地质测绘院，广东广州(广东省地质测绘院，广东广州510800)摘 要：为研究机载激光雷达 Ligh t Detec tio n a n d Ra n gin g,LiDAR)技术在第三次全国国土调查中 的适用性及测绘成果的精确性，本文以广东省某山区乡镇为研究对象，采用机载LiDAR技术，获取 研究区点云数据信息，通过设置点云滤波参数及人工判读方式对点云数据进行去噪处理，构建数字 高程模型(Digita l El ev a tio n Mo d el，DEM)和数字正射影像图 Digita l Or th o ph o to Ma p，DOM)模型，生 成研究区地籍图。此外，以高精度实时动态(Rea l-Time Kin ema tic，RTK)载波相位差分技术和全站 仪等仪器测量成果为真值，对地籍图精度进行分析评定。结果表明，采用机载LiDAR技术获得的 地籍图平面位置中误差为0.036 2叫叫高程中误差为0.047 7 m，界址点间距中误差为0.041 8 m,均 小于0.05 m,满足国家地籍测量规范要求#因此，机载LiDAR技术在国土调查中具有较高的适用 性，其测绘成果满足规范精度要求，可显著提高作业效率。关键词：机载LiDAR技术;激光点云;地籍图；精度评定中图分类号:P228.3D0I：10.20006/j.c n k i.61-1363/P.2023.01.009Appl ic at ion and ac c urac y anal ysis of airborne LiDAR t ec hnol ogy in t he Thirr Nat ional Land Resourc c SurveyWANG Yongf eng(Gu a n gd o n g In stitu te o f Geo l o gic a l Su r v eyin g a n d Ma ppin g,Gu a n gzh o u,Gu a n gd o n g 510800,Ch in a)Abst rac t:In o r d er to stu d y th e a ppl ic a bil ity o f a ir bo me LiDAR tec h n o l o gy in th e Th ir d Na tio n a l La n d Reso u r c e Su r v ee a n d th e a c c u r a c o o f ma ppin g r esu l ts,th is pa per ta k es a v il l a ge in a mo u n ta in o u s a r ea o f Gu a n gd o n g Pr o v in c e a s th e r esea r c h o bjec t a n d u ses LiDAR tec h n o l o gy to o bta in po in t c l o u d d a tain fo r ma tio n in th e r esea r c h a r ea.Po in t c l o u d d a ta wer e d en o ised,DEM a n d DOM mo d el s wer e c o n str u c g ted,a n d c a d a str a l ma ps o f th e stu d y a r ea wer e c r ea ted by settin g po in t c l o u d fil teo n g pa r a meter r a n d ma n u a l in temmta tio n.In a d d itio n,th e pr ec isio n o f c a d a str a l ma p wa s a n a l yzed a n d ev v l u a ted u sin g th e mea su r emen t r esu l ts o f h igh-pr ec isio n RTK c a r o er ph a se d Dfer en c e tec h n o l o gy a n d to ta l sta tio n a s Iu e v v l u es.Th e r esu l ts sh o w th a t th e h o r izo n ta l mea n sq u a r e er r o r a n d v eOic a l mea n sq u a r e ev o r o f th e c a-d a siea o ma p o bia o n ed by a o ebo en e L o DAR ie ehn o o o gy os 0.036 2 m a n d 0.047 7 m eespeeio eeo y,a n d ihe mea n sq u a ee e eo eo Ubo u n d a ey po on ispa eo n g os 0.041 8 m,a o o Uwh o eh a eeo e sih a n 0.05 m,meeio n g ih eeeq u o eemen iso Uih en a io o n a o ea d a siea o su eeeyspeeo o ea io o n s.Th eeeo ee,a o ebo en eLo DAR ieeh n o o o gy c a n be wid el y u sed in l a n d r eso u r c e su r v ey,a n d its su r v eyin g a n d ma ppin g r esu l ts meet th e a c c u r a c o r e-q u o eemen iso tih espeeo to ea io o n s,wh o eh ea n so gn o to ea n io o mpeo eeo peea io o n a o eto eo en e6.Keywoids：)。!)。!LiDAR tec h n o l o gy;l a ser po in t c l o u d;c a d a str a l ma p;a c c u r a c o a ssessmen t收稿日期：2021-05-08作者简介:王永锋,工程师，主要从事国土调查、评价，不动产确权、登记等工作第1期王永锋:机载LiDAR技术在第三次全国国土调查中的应用及精度分析471引言机载LiDAR是集成激光测距、动态差分定位、姿 态测定及计算机等技术的主动式对地观测系统与 常规测绘技术相比，机载LiDAR对控制测量的依赖 性相对较弱，受外界环境因素影响较小1,自动化程 度相对较高，并兼具测速快、精度高等优势，在城市规 划测量、国土地质灾害监测、地籍权属调查等领域得 到了广泛应用。传统测绘技术多采用全站仪结合 RTK的测量方法,该测量方法具有较高的灵活性,能 针对测区实际地形地势进行灵活调整,确保外业测量 数据的准确性2%但该方法具有作业效率低下、人工 成本较高、工作强度较大等劣势%机载LiDAR技术外 业测量速度较快、受外界环境因素影响较小,能够显 著提高国土调查工作中的地籍测量效率,在第三次全 国国土调查过程中，有着较大优势例如在地形环境 较为复杂的山地丘陵地区，采用传统测绘方法往往很 难开展地籍测量工作3，而采用机载LiDAR作业方 式则能够在较短时间内完成外业数据采集工作相 较传统单点数据采集方式,全覆盖点云测量能够对测 区环境进行更加真实地展现%本文基于机载LiDAR技术，对广东省某山区乡 镇在第三次全国国土调查工作中的地籍测量工作进 行应用研究，分析地籍测量成果的精度，综合评估机 载LiDAR技术在国土调查中的可靠,性2机载LiDAR系统简介机载LiDAR系统以小型航空飞机作为运载平 台，以激光作为载波的雷达系统运载平台搭载激 光扫描测距系统，对地表地物的数据影像和三维信 息进行实时采集,并提供被测物体的红外光谱信息，是获取地球空间信息的高新技术手段之一，也是获 取地球空间信息的强有力工具机载LiDAR系 统严密整合了激光测距仪！La ser)、高精度惯性测量 装置！In er tia l Na v iga tio n System,IIS,下文简称惯导 系统)和全球导航卫星系统(Gl o ba l Na v iea tio n Sa tel-l ita System,GNSS)3项髙新技术,是激光技术、计算 机技术、髙动态载体姿态测量技术和髙精度动态 GNSS差分定位技术迅速发展的集中体现5%机载LiDAR系统主要系统部件构成如表1所 示，系统利用GNSS定位系统、激光测距系统、惯导 系统等获取地物点的三维坐标信息6%表1机载LiDAR系统主要部件及功能Tab.1 The main c omponent s and func t ions of t he airdorne LiDAR syst em主要部件功能作用激光测距仪发射激光脉冲并接收回波动 分 GPS飞机导航和遥感器坐标定位IMU激光扫描仪姿态确定成像设备同步获取光学航空影像通过对多个地物光斑的三维信息进行整体获 取，即可得到大量的点云数据，构成点云团，从而生 成点 影像%3外业数据获取3.1研究区概况研究区概况本文选取的研究区为广东省某山区乡镇，该地 区地形较为复杂，山地、丘陵较多，村庄分布较为零 散,且研究区内植被覆盖率较高,GPS-RTK信号相 对较弱，采用传统测绘技术很难开展地籍测量工作%因此,本文采用机载LiDAR技术，最大程度降低环 境因素对外业数据采集的影响，以获取研究区地籍 成果信息%3.2设备备仪器本文采用的机载雷达扫描系统为某公司生产的 ALS70-HA系统，最大扫描角度为75，扫描频率为 200 He,有效操作距离为200 5 000 m；像机型号为 莱卡RCD30,分辨率为6 732 x 9 000，航摄焦距为 53 mm,航摄像幅为41 mm x 54 mm；惯导系统型号 为IIAS20，采样频率为200 He%3.3技术流程技术流程机载LiDAR系统的作业流程主要包括飞行准 备、航飞实施、数据处理及数据应用74个步骤本文综合考虑仪器设备的自身性能,并结合测 区地形，共设计了 4个航摄分区，航向重叠度为 75%,旁向重叠度为40%在研究区范围内布设了 8个地面参考基准站,基准站与机载GNSS接收机同 步观测，对机载接收机进行实时距离改正，提高了定 位精度在航拍工作前，在测区内均匀布设45个测 量控制点，平面控制网以多个GPS-D级控制点为 起算点，使用GPS静态观测方式，建立测区平面控 制网，高程测量则以三等及以上的已知水准点为起 算点,按照四等水准测量方法建立测区高程控制网%48测绘技术装备第25卷航摄前还应对整套飞行控制系统进行全面检查，包 括激光扫描仪、数码像机及导航仪能否正常工作，各 模块连接是否正常等，确认无误后再进行航测机载LiDAR首先采用差分全球卫星导航系统(DiDer en tia l Gl o ba l Na v iga tio n Sa tel l ite System,DGNSS)双差分定位技术对机载GNSS实时测量数 据和地面参考基准站数据进行解算8，获取高精度 机载GNSS接收机坐标。再基于惯性导航仪IMU数 据,对飞机的航迹线进行综合解算，并根据扫描仪和 像机偏心分量对激光和像机的航迹数据进行求解。4数据处理机载雷达点云数据信息较多，包括载体自身位 置、飞行方向、所测距离、光学影像等，因此需要对多 类型数据进行专业处理，以获得想要的测量数据。4.1数据预处理数据预处理数据预处理主要包括生成导航文件、控制文件 及三维点云数据。导航文件以定位定姿系统！Po sitio n a n d Oo en ta-Uo n Syst砾,POS)姿态数据为基础，结合地面参考基 准站数据，解算并生成导航数据文件，包括sbet*.o u t文件和v n a e*o u t文件%控制文件通过对航带的 漏飞现象进行综合检查，并以覆盖数据范围为基础,制作控制文件，生成“*航次控制文件(c o n tr o l.in i)”当某条航带的数据量超过一定限度时，需对 其进行分段处理点云数据解算是将所获得的激光 扫描数据、POS数据、地面参考基准站数据进行联合 解算，生成可以被解析处理的三维点云数据,采用测 区平面和高程控制点对其进行误差校正，其结果即 为地物三维点云数据4.2点云滤波、分类分类点云分类是通过分离低点、奇异高点、地面点及 非地面点等，基于专业算法及算法组合,对点云数据 进行整合的过程在点云分类前，需对点云数据进 行滤波处理，即通过一定的方式将明显低于或高于 地面的点云进行过滤处理,提高点云数据精度,为后 续点云分类做铺垫在工程应用中,仅通过设置点云滤波参数，很难 达到理想的滤波效果，往往需要人工干预,通过人为 判读,将各类噪点进行充分过滤,使得点云滤波结果 满足相关规范及建模要求3.3 DEM制作作首先将实际测点和滤波后的激光点进行展绘处 理，并采用“激光点检查”工具对激光点进行统计分 析,从而对实测点与激光点云进行对比检验当测区 内的植被较为茂密时，会存在部分激光点准确度较低 的现象，需依据该区域内的实测点，对相应的激光点 云进行删除过滤,基于实测高程点、激光点云及绘制 的三角网,构建可用来建立模型的不规则三角网 4.4$DOM 制作作以Tec a Ph o to模块为基础,对分类后的高精度 DEM进行综合处理，生成DOM成果首先,以高精 度DEM为基础，对外业原始数码影像进行内、外方 位元素校正，生成单幅正射影像;其次,对生成的单 幅正射影像进行匀色处理，从而使得正射影像的整 体颜色更为匀称协调;再次，在多幅正射影像间生成 镶嵌线,并对其进行修改编辑,从而绕开建筑桥梁等 显著地物，确保正射影像上地物的完整性;最后，对 调整后的镶嵌线和匀色影像进行分幅处理，生成测 区正射影像的DOM成果4.5地地籍图图制作作将处理后的点云数据导入CAD或者其他辅助 软件，通过捕捉对应点云,勾绘地面地物轮廓及道 路、河流等相关地籍信息，并以生成的DOM为基 础,绘制植被边界及范围，从而生成满足使用需求的 测区地籍图5精度评定5.1精度评定方法精度评定方法对基于 Lo DAR 获取的测区地 成果行精度分析时,首先,需要对地籍图平面位置中误差 和高程中误差进行综合计算，判断其是否满足相关 规范要求;其次，以测区内检核点坐标值为真值，以 地籍图上与检核点所对应的点位为测量值，分别计 算各点位平面位置中误差和高程中误差;最后，对基 于机载LiDAR技术获取的地籍图进行点位精度分 析中误差计算公式如式(1)所示:槡*1 第1期王永锋:机载LiOAR技术在第三次全国国土调查中的应用及精度分析49式中:m”为平面坐标X方向的坐标中误差,m.为平 面坐标Y方向的坐标中误差,m,为高程坐标Z方向 的坐标中误差为各方 误差,n为测区 内 的检核点数量。地 成果的平面位置中误差可根据X、？方向的中误差进行，其公式如式(2)所：m=槡m：+m?(2)5.2精度评定结果分析精度评定结果分析为确保地 成果精度检验的科学性和准确 性，研究按照“均匀分布”的,在测区 I内 共选取172个不同 点和地物点进行地 成果 精度评定在基于机载LiOAR技术获取的地籍图 成果上提取对应的 点和地物点坐标，与高精度 RTK测量成果进行差值 同时,采用测角精度 为0.5的高精度全站仪仪、测 仪仪等对相邻界址对相邻界址 点、地物点之间的 行精确测量,取两次独立测量结果的平均值作为真值，将其测量结果与地籍图 上量测的边长进行 对,检验地 对精度。地籍图精度检核结果 1所，其中A图为平面坐标中误,B 为高程坐标中误,C 为 对界址、地物距离中误差105 105 O-5-1OO-5-1O图图1机载机载LiDAR地籍测量成果精度分析地籍测量成果精度分析F ng.1BAc c urac y anal yeneofc adaeeral eurvey reeul eebyanrborneLnDAR通过对机载LiOAR技术获得的地 精度进行评定可知,所选界址点和地物点的平面 坐标中误差为0.036 2 m,高程中误差为0.047 7叫界址 点间距的相对精度中误差为0.041 8叫均小于 0.05叫满足GB/P 14268 2008国家基本比例尺 地形 规范、TD/1001 2012地测绘规程等规范中不大于0.05 m的要求。由此表明，采 用机载LiOAR技术对测区进行地籍信息的：工作,成果精度较高，符合规范要求。机载LiDAR技 为大 尺地形测量提供 高效率、高精度、高价比的 测试方法，大大 了 地籍测量方式的不足。6结束语机载LiDAR技术可以快速、连续获取地面三维 数据信息,结合数字字像机，可以大幅降低航测成图时 间，提高作业效率及成图精度。本文以机载LiDAR 摄影测量技术为基础,获取研究区的地籍数据信息。经验证，获取的地 成果精度满足 规 使用要求，为国土调查工作提供了 的作业方式。参考文献1 崔强.基于图优化的多站激光点云拼接算法研究D.青岛：山东科技大学,2018.2 夏波，雷刚，冯玉全.基于机载激光雷达航测技术的地 形图矢量化方法研究J.工程建设与设计，2019(24):258-259.3 周卿,李能国.基于机载激光雷达技术的地形图成图 的探讨J.城市勘测,2010(S1)：91-93.4 付宓.机载激光LIIAR测图与人工测图的对比分析 D.重庆:重庆交通大学,2013.5 杨青山，汤学才,范彬彬.轻型机载LiDAR在农村宅基 地房屋测量中的应用J.测绘通报,2017(9)：88-91,109.6 任高升，李明峰，姜霞.基于机载LiDAR的地籍测量点 云处理与精度分析C/.江苏省测绘地理信息学会 2018年学术年会论文集,2018:13-15.7 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(6)：729-732.8 吴栋，叶大，高笔清，等.技术在农村地籍 测量中的应用J.地理空间信息,2019,17(12)：89-90,98,10.