郭如寶

(內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)集成了全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)、激光測距系統(tǒng)(Laser Scanning Ranging),可快速獲取地表物體的三維坐標(biāo)信息[1-3]。近些年,隨著航空攝影技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)載LiDAR系統(tǒng)作為一種新的數(shù)據(jù)獲取模式,改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段,進(jìn)一步推動(dòng)測繪地理信息行業(yè)的發(fā)展。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)飛行作業(yè)時(shí),由于受飛行高度和激光掃描儀掃描視場角的限制,每條航帶只能覆蓋地面的一定寬度,要完成大面積作業(yè)就需要敷設(shè)多條航帶,相鄰航帶須保證一定重疊度。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)各子系統(tǒng)本身及子系統(tǒng)間會存在一定的誤差,誤差會導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同航帶的同名特征點(diǎn)存在系統(tǒng)性的三維空間偏移,會影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對精度[4-7]。同時(shí),在飛行作業(yè)過程中,由于氣象條件、飛機(jī)姿態(tài)、IMU累計(jì)誤差、地面基站不均勻等客觀因素的影響,各航帶間可能會出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)云高程差超限的問題。

本項(xiàng)研究以通遼攝區(qū)為試驗(yàn)區(qū),采用一種對航帶間點(diǎn)云高程差超限的校正方法,對相鄰航帶進(jìn)行整體平差,有效消除或減小了航帶間重疊區(qū)域的高程差異,并通過大量外業(yè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢測,點(diǎn)云精度達(dá)到了相關(guān)規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo),最終驗(yàn)證了這一校正方法的可行性,為解決其他類似問題提供一種思路。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市南部,東經(jīng)121°30′00″～123°45′00″,北緯42°40′00″～43°40′00″,攝區(qū)面積17 710 km2。要求點(diǎn)密度≥0.25個(gè)/m2,點(diǎn)云旁向重疊度≥20%,點(diǎn)云高程精度優(yōu)于0.3 m,未限制必須同步獲取影像數(shù)據(jù),可采用夜間航攝飛行方式。

在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)及周邊選取四個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)連續(xù)運(yùn)行參考站為基準(zhǔn)站,并架設(shè)兩個(gè)B級點(diǎn)作為補(bǔ)充基站,采用聯(lián)合基站的方法解算POS數(shù)據(jù),將機(jī)載POS獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過精密基站坐標(biāo),修復(fù)定位精度,解算POS數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)了一個(gè)檢校場和三個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)。檢校場區(qū)域內(nèi)需要一個(gè)校準(zhǔn)建筑物和一個(gè)控制場,并且盡量遠(yuǎn)離水面(如湖海、江河)等低反射率的地區(qū),并包含平地和街道,檢校場航線采用3×4的方式布設(shè)。精度驗(yàn)證區(qū)在距離基站、檢校場較遠(yuǎn)、精度相對較弱且外業(yè)控制實(shí)施容易的區(qū)域選取,不同精度驗(yàn)證區(qū)應(yīng)選在不同地形條件、不同航線且相距較遠(yuǎn)的區(qū)域,每個(gè)區(qū)選取20個(gè)以上檢測點(diǎn),保證精度滿足要求。

試驗(yàn)區(qū)獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)去噪分類后,可生成1∶10 000比例尺高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM),結(jié)合衛(wèi)星影像生成的數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)產(chǎn)品,通過等高線反衍技術(shù),利用單片測圖的方式可快速生產(chǎn)1∶10 000比例尺數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG),能有效填補(bǔ)內(nèi)蒙古自治區(qū)1∶10 000比例尺無圖區(qū)的空白,是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要來源,為內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、資源開發(fā)和生態(tài)監(jiān)測管理發(fā)揮重要作用[8]。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

2.1 技術(shù)流程

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取分五個(gè)階段,分別是設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段、飛行作業(yè)階段、數(shù)據(jù)處理階段、質(zhì)量檢查階段和整理驗(yàn)收階段。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

(1)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段,需要掌握航攝區(qū)域的地形地貌、氣候、機(jī)場位置等情況,確定航攝區(qū)域的基準(zhǔn)面,以此判斷攝區(qū)是否分區(qū),根據(jù)航攝儀參數(shù)設(shè)計(jì)相對航高,從而確定攝區(qū)的絕對航高,根據(jù)攝區(qū)面積、位置走向設(shè)計(jì)航攝的飛行方向和飛行航線數(shù),最后確定飛行航片數(shù),編制航攝技術(shù)設(shè)計(jì)書。

(2)飛行作業(yè)階段,根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備航攝儀,聯(lián)系通用航空公司,上報(bào)飛行計(jì)劃,辦理機(jī)場入場證。飛機(jī)調(diào)運(yùn)至機(jī)場后,安裝航攝儀進(jìn)行地面調(diào)試。選擇天氣晴好日進(jìn)行航空攝影,每飛完一個(gè)架次后,及時(shí)將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)交數(shù)據(jù)處理人員,快速處理數(shù)據(jù)并檢查結(jié)果,以確定數(shù)據(jù)是否滿足符合規(guī)范要求,是否需要補(bǔ)飛或重飛。

(3)數(shù)據(jù)處理階段,原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)為sdf格式,需利用RiANALYZE經(jīng)過氣象修正后生成sdc格式的文件,再利用Inpho軟件的LPMaster模塊對經(jīng)過修正的sdc格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù),結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位置和高程位置糾正,同時(shí)糾正雙激光頭掃描航線的高程差,輸出激光雷達(dá)點(diǎn)云成果,并進(jìn)行POS數(shù)據(jù)解算。

(4)質(zhì)量檢查階段,需對整個(gè)攝區(qū)所有數(shù)據(jù)和文檔全數(shù)檢查,包括飛行質(zhì)量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量、附件質(zhì)量和航攝文檔,編制質(zhì)量檢查報(bào)告。

(5)整理驗(yàn)收階段,由技術(shù)負(fù)責(zé)人向驗(yàn)收專家組做項(xiàng)目驗(yàn)收匯報(bào),驗(yàn)收通過后出具檢驗(yàn)報(bào)告。

2.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)區(qū)安排PC-6通用航空飛機(jī)和Trimble AX80機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影,使用拓普康HiperSR型GPS連接就近的GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站測量地面高程控制點(diǎn)和檢查點(diǎn),POS設(shè)備選用Applanix AP60。Trimble AX80機(jī)載LiDAR系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Trimble AX80技術(shù)參數(shù)

2.3 技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)要求,通遼攝區(qū)設(shè)計(jì)點(diǎn)密度為0.57個(gè)/m2,基準(zhǔn)面高程為攝區(qū)最低點(diǎn)高程。

在AX80_Productivity_Version_09b.xlsx工具中,綜合考慮激光發(fā)射頻率、數(shù)據(jù)記錄模式、激光MTA zone以及點(diǎn)云密度和飛機(jī)性能,將相對航高設(shè)定為3 500 m。

航線按南北方向敷設(shè),平行于攝區(qū)邊界線的首末航線一般敷設(shè)在攝區(qū)邊界線上或邊界線外,確保攝區(qū)邊界實(shí)際覆蓋超出半幅圖幅范圍,航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線半幅圖幅范圍[9-10]。

在AX80_Productivity_Version_09b.xlsx工具中計(jì)算,確定試驗(yàn)區(qū)的點(diǎn)云向重疊度為25%,航攝因子計(jì)算表如表2所示。

表2 航攝因子計(jì)算表

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)校正方法

3.1 試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)問題分析

在數(shù)據(jù)處理過程中,出現(xiàn)部分航帶間點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程差超限問題,且具有不規(guī)則性,導(dǎo)致航帶間點(diǎn)云拼接精度不能滿足相關(guān)要求,如圖2所示。

圖2 校正前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

出現(xiàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程差超限問題,可能是由于DGPS定位誤差、姿態(tài)測量誤差以及安置角誤差(航向角誤差、俯仰角誤差和橫滾角誤差)引起的。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)中,IMU與激光掃描儀緊密結(jié)合,安裝時(shí)已盡可能使IMU各軸和激光掃描儀系統(tǒng)各軸指向平行,但實(shí)際安裝完畢后,IMU各軸指向均與掃描儀系統(tǒng)各軸指向存在微小的角度差[11-13]。另外,在飛行作業(yè)過程中,氣象條件對飛行的干擾非常大,飛機(jī)在受到氣流而發(fā)生顛簸或逆風(fēng)飛行時(shí),可能會導(dǎo)致GPS定位偶然誤差或IMU累計(jì)誤差,都可能會造成點(diǎn)云精度的不規(guī)則性。各項(xiàng)誤差累計(jì)后,可能最終會導(dǎo)致部分航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程差超限。

3.2 航帶間點(diǎn)云校正方法

航帶匹配主要是利用航帶重疊區(qū)域內(nèi)的地面點(diǎn)和建筑點(diǎn)云提取連接線,并進(jìn)行最小二乘匹配,計(jì)算航線的改正值。

首先要進(jìn)行點(diǎn)云分類,其目的是為了減小計(jì)算量并提高連接線生成的精度和可靠性。點(diǎn)云分類需要考慮以下幾點(diǎn):

(1)植被應(yīng)該盡量分離出來,植被區(qū)域通常存在多次回波,且地表結(jié)構(gòu)不可靠;

(2)應(yīng)分離出具備較好地表反射信號的地物,如平坦地面和傾斜屋頂?shù)?

(3)分離出的地面點(diǎn)應(yīng)均勻分布在空間中。

在機(jī)載LiDAR系統(tǒng)中,從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取高精度的連接點(diǎn)比較困難,考慮到試驗(yàn)區(qū)內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對精度較高,可以采用在航帶重疊區(qū)域內(nèi)自動(dòng)生成連接線的方法。

最后進(jìn)行系統(tǒng)偏移計(jì)算,當(dāng)相鄰航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程存在差值時(shí),通常會在Z方向上進(jìn)行偏移校正,當(dāng)相鄰航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面和高程都存在差值時(shí),可同時(shí)進(jìn)行Z方向和Roll、Pitch和Heading角度的偏移校正。在高程和平面聯(lián)合校正的情況下,連接線的生成需要注意多個(gè)方向較大密度的分布。校正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 校正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 精度分析

將外業(yè)高程精度檢測點(diǎn)導(dǎo)入校正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，進(jìn)行點(diǎn)云高程精度檢測，可計(jì)算出點(diǎn)云誤差最大值為0.194 m，最小值為0.017 m，誤差平均值為0.090 m，高程中誤差為0.104 m，經(jīng)過校正后的點(diǎn)云高程精度滿足相關(guān)技術(shù)要求，如表3所示。

表3 點(diǎn)云高程精度檢測表 單位:m

5 結(jié)束語

本文以通遼攝區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例,介紹了一種快速、高效解決部分航帶間點(diǎn)云高程差超限的校正方法,避免了由于數(shù)據(jù)精度問題造成的補(bǔ)飛或重飛,節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,為解決類似問題提供了一種思路。但這種方法可能會存在一定人為的偶然誤差,不建議在整個(gè)攝區(qū)大面積使用。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)為高精度的高程信息數(shù)據(jù),主要用于生產(chǎn)1∶10 000比例尺高精度DEM,反衍等高線后經(jīng)平滑處理,可用于輔助1∶10 000比例尺DLG生產(chǎn),能較快填補(bǔ)內(nèi)蒙古自治區(qū)1∶10 000比例尺無圖區(qū)的空白,是基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)來源,為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展提供了數(shù)據(jù)保障。