楊杰

摘? 要：激光掃描雷達（LiDAR）作為一種高效的地形數據獲取系統(tǒng)，可快速獲取大面積、高精度的三維坐標點云數據。該文設計了利用LiDAR系統(tǒng)快速生成DOM的技術方法，通過對LiDAR獲取的激光點云進行濾波和分類處理，并利用其生成的DEM，結合光學影像數據，快速生成數字正射影像產品。試驗表明，采用LiDAR數據和數字影像相結合的方式生成正射影像圖自動化程度高、生產周期短，能夠滿足快速正射影像圖制作的要求。

關鍵詞：LiDAR? POS? 光學影像? DEM? DOM

中圖分類號：P225 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（a）-0006-02

傳統(tǒng)方式開展大比例尺正射影像圖制作的過程主要包括航空攝影、像片控制點測量、空中三角測量、DEM采集和數字正射影像制作及鑲嵌。在數據生產過程中，像片控制點測量和DEM采集耗時量較大、作業(yè)成本較高，作業(yè)周期長，已不能適應高精度、高效率和低成本的成圖需要[1]，機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光測距技術、位置和姿態(tài)測量技術、數字航測技術迅速發(fā)展的集中體現[2]。作為一種主動式對地觀測系統(tǒng)，機載激光雷達系統(tǒng)在直接快速地獲取地球表面的三維空間信息的同時，還能獲取地物影像信息?？焖佾@取感興趣區(qū)域的正射影像圖，對城市建設和經濟發(fā)展具有重要的現實意義[3]。LiDAR系統(tǒng)集激光掃描儀、POS系統(tǒng)、光學成像系統(tǒng)于一體，為快速正射影像圖生產提供了快捷、高效的生產模式。

1? 激光雷達系統(tǒng)組成

LiDAR系統(tǒng)一般由激光掃描測距儀、位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）、光學相機、控制與數據記錄設備、數據處理軟件等部分組成。

1.1 激光掃描儀

激光掃描系統(tǒng)通常以直升機或固定翼飛機為飛行平臺，通過激光掃描儀與POS系統(tǒng)對地面進行高精度、實時量測。主要利用激光光束俯視地面，在20°～40°的視場角范圍內，沿左右方向對地面進行來回掃描，并通過反射鏡接收被目標回波信號，獲取測量數據。

1.2 位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）

為了確保所獲取數據的精度以及穩(wěn)定掃描中心垂線，機載激光掃描系統(tǒng)配備有位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）。原始POS數據中提取出GNSS數據、IMU數據和輔助傳感器數據，然后和地面GNSS數據進行差分擬合得到曝光瞬間傳感器中心精確的GNSS定位坐標，最后對IMU數據、輔助傳感器數據和精確的GNSS定位數據進行解算，獲取飛行位置和姿態(tài)參數（包括經度、緯度、高度、俯仰角、側滾角、航向角）。

1.3 光學相機

機載激光掃描系統(tǒng)采用的相機通常為經過標定的中小像幅CCD相機，所獲取的信息主要用于記錄地物的影像信息，也可用于輔助目標分類。

1.4 控制與數據記錄設備

控制及數據記錄設備主要是協調各傳感器的運行、記錄回波數據、導航數據、掃描時間等相關信息，用于后續(xù)處理。

1.5 數據處理軟件

數據處理軟件包括POS數據后處理、計算激光采樣點的坐標、數據分類、數據的特征提取以及融合等。

2? 正射影像的制作流程

攝影測量直接獲取的地面影像，由于傳感器姿態(tài)變化及地形起伏等原因，存在地物位置偏差及地物變形的問題。正射糾正是解決這一問題的有效途徑，可以有效地改正由于傳感器鏡頭畸變、地形起伏引起的位置偏差，生成具有地圖幾何精度和影像特征的圖像，即數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）。對于遙感圖像解譯、信息提取等具有重要意義。

采用LiDAR數據快速獲取測區(qū)DEM，從而取代了通過光學影像空三加密、半自動采集的DEM獲取方式，優(yōu)化提高了生產效率。圖1為正射影像制作流程。

3? 試驗過程

3.1 試驗數據獲取

該試驗數據位于福建漳州沿海，獲取數據時間為2014年8月，使用設備為leica蝙蝠II雙色激光雷達，用于獲取測區(qū)的水陸地數據形獲取，測繪面積50km2，獲取成果數據包括激光點云數據和可見光+紅外多光譜影像，激光點云精度為陸地優(yōu)于5cm、水下優(yōu)于15cm，影像分辨率優(yōu)于10cm。圖2為Lidar點云數據。

3.2 試驗軟件

試驗中主要使用的軟件系統(tǒng)為Leica公司的數字攝影測量系統(tǒng)Leica Photogrammetry Suite（LPS）和Leica LIDAR Survey Studio（LLS）的激光掃描處理軟件。LPS用于面陣影像的空三加密，DEM提取、DOM生成。LPS軟件是一套商業(yè)化數據處理軟件。將LiDAR系統(tǒng)自帶的光學影像經過定向、空三加密、密集同名點匹配;LSS軟件主要是對點云數據進行濾波操作，濾除建筑、樹木等地面附屬物，提取地面點生成DEM，以此為依據制作DOM，如圖3所示。

3.3 試驗主要過程

（1）空中三角測量。

空中三角測量主要是在LPS中建立影像工程文件，加入相機檢校參數、投影信息、旋轉系統(tǒng)等，向LPS工程文件中加載影像，導入由POS獲取的外方位元素初始值，然后利用LPS的點量測工具，進行同名點全自動匹配，并確定同名點精度可靠，最后，利用地面控制點、檢查點（控制點及檢查點可從LiDAR點云數據提?。?、同名點等數據進行區(qū)域網平差，得到空中三角測量結果。

（2）點云數據處理。

LiDAR系統(tǒng)獲得的原始地形數據不僅包括地面點，而且包括地面上的所有地物，如建筑物、植被、水、道路等。因此需要將LiDAR數據進行濾波處理。LiDAR軟件根據脈沖點的高程值分成多個高差段并賦予不同顏色值渲染成三角網，由此生成的LiDAR影像具有非常明顯的彩色三維立體效果。在LLS中將點云數據分類，剔除掉明顯的噪聲，將離散的LiDAR數據點分成地面點和非地面點。

（3）DEM生成。

地面高程數據DEM僅需要地表裸露點，由完整地塊的地表裸露點三維數據構成地面高程模型DEM。經過點云分類處理剔除非地表點并歸類后，所有剩下的LiDAR數據都是地面點數據，即可生成高精度的DEM。

（4）DOM制作。

在LPS下進行正射操作，首先創(chuàng)建工程文件，工程文件包含了試驗區(qū)域內的圖像、相機參數、地面控制點以及其他相關信息。由于所采用的數據是CCD影像， 所以這里需要設置相機模型為digital camera，然后設置工程文件的地圖投影參數和相機模型參數，設置DEM的來源為由LiDAR數據生成的DEM文件， 然后加入影像數據，進行糾正。

在進行鑲嵌和裁切時應注意：在進行裁剪時拼接線應盡量繞開居民區(qū)。由于影像獲取時姿態(tài)不同，像對之間房屋陰影的方向、大小不同，此時拼接線較明顯。鑲嵌成圖時，盡量沿線狀地物變換處畫鑲嵌線，避免穿越房屋、地塊、變形地物等;最后，還應注意影像間的重疊關系。

4? 結語

該文通過原始LiDAR點云數據進行預處理獲取數字表面模型（DSM），經過濾波分類，生成DEM產品，最后結合面陣影像數據生成正射影像圖。通過試驗進行了有益的嘗試，該方法可實現無地面控制點的快速、高精度正射影像圖制作，大大縮短了生產周期，加快了數據的獲取與處理速度，對于應急測繪保障具有重要的意義。

參考文獻

[1] 傅月波.基于機載LiDAR數據的數字正射影像制作與研究[J].測繪通報，2012（10）：55-57.

[2] 萬霞，酈淑俊，王朝暉.一種快速的正射影像制作方法[J].現代測繪，2006（3）：34-35.

[3] 陳強，丁曉利，劉國祥.PS-DInSAR公共主影像的優(yōu)化選取[J].測繪學報，2007（4）：395-399.