郝立貞,趙 洴,葛亞建,汪 超,張偉偉

(1.浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 311100；2.諸暨市自然資源和規(guī)劃局，浙江 紹興 311899；3.浙江省國土勘測規(guī)劃有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引 言

三維激光雷達(LiDAR)是一種非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點云的技術。這項技術成為數字化時代下刻畫復雜現(xiàn)實世界最為直接和重要的三維地理空間數據獲取手段，在全球變化、智慧城市、全球制圖等國家重大需求和地球系統(tǒng)科學研究中起到十分重要的作用。在傳感器技術和國家需求的雙重驅動下，三維激光掃描在硬件裝備、三維點云數據處理以及應用方面取得了巨大的進步。這使得三維激光點云數據應用領域越來越廣泛，用于建筑物三維重建[1-3]、路燈提取[4]、電力巡線[5]、生物量估算[6]、土方量計算、樹高胸徑提取[7]、園林綠化提取[8]等各個領域，取得了良好的效果，大大提高了工作效率。

傳統(tǒng)地形圖成圖方式外業(yè)作業(yè)環(huán)境復雜，受天氣影響較大，高溫多雨季節(jié)外業(yè)測圖具有一定的危險性，存在難以到達的區(qū)域，且作業(yè)效率低。三維激光點云數據可以獲取地面物體高精度的三維坐標、回波強度、回波次數、掃描方向角度等多種基礎屬性信息。還可以根據基礎屬性信息衍生出坡度、坡向、點密度和強度等信息[9]。這些優(yōu)勢為基于點云繪制地形圖提供了便利。本文以激光雷達點云數據為基礎，實現(xiàn)三維地形測圖。

1 三維激光點云處理

1.1 外業(yè)采集

在機載雷達掃描工作前對場地進行詳細的踏勘，了解測區(qū)的地形、交通情況，根據測區(qū)實際情況設計合理的航飛掃描路線和掃描時間，避免設備長時間高負荷工作，實現(xiàn)最高效、最經濟、最精確地采集測區(qū)三維激光點云數據。

1.2 點云數據處理

1.2.1 重采樣

三維激光掃描數據具有采集速度快、采樣頻率高的優(yōu)勢，但這也導致點云數據具有高冗余的缺陷。因此需要對點云進行重采樣，重采樣的方法有4種比較常用，分別為曲率采樣、柵格采樣、統(tǒng)一采樣和隨機采樣。根據工程項目的需要選擇其中一種方法，經重采樣后的點云更加精簡，使用效率更高。

1.2.2 去噪

由于激光儀在點云數據采集時測區(qū)環(huán)境復雜，尤其存在施工區(qū)域時，施工機械的運動、人員走動、樹木、建筑物遮擋、施工浮塵及掃描目標本身反射性的不均勻等影響，將會造成掃描獲取的點云數據存在不穩(wěn)定點和噪音點。這些噪點對作業(yè)過程產生一定的影響，需人機交互方式去除噪點。

1.2.3 拼接

點云拼接是將多站掃描點云數據拼接到統(tǒng)一坐標系中的過程。被拼接的數據是由每一站掃描的整個項目的數據，雖然在掃描過程中一條航線上每站數據會根據儀器自帶的拼接功能完成初始拼接，但測區(qū)范圍較大，需分多航帶采集數據，幾條掃描航帶上的相鄰站點間隔較長時間和隔了較多站點，慣導系統(tǒng)無法完成自動拼接，需要手動將每一條掃描航線上采集的點云數據拼接到一起。同時要檢查每相鄰兩站之間儀器自動拼接的是否有誤差，調整誤差較大的相鄰站點的點云數據。

1.2.4 著色

由于激光點云及其強度信息對掃描地物的反映能力有限，需要將采集的測區(qū)點云與同步采集的影像數據進行精確配準，使得點云不僅具有高精度的三維坐標信息，也具有更加豐富的光譜信息。

2 基于點云的地形圖成圖

在三維模式顯示下，點云可清晰的反映地表的高低起伏狀態(tài)。通過點云的多模式(真彩色、二值、強度)顯示及匹配的同步影像數據輔助要素的判別。如圖1所示，真彩色渲染模式下，點云可清晰的反應采集地物的狀態(tài)，在植被覆蓋度不高的地方，部分地物在此模式下可直接采集。在采集房屋等與地表存在高差的地物時，高程渲染模式具有更好的顯示效果。

圖1 點云反映的地表形態(tài)

在三維立體模式下，按照地形圖成圖要求，對測區(qū)的地形數據進行采集。一般先采集線狀地物，如河流、道路等。此類地物與周圍其他地物的區(qū)分較明顯，采集相對容易。在地表植被覆蓋較多的地區(qū)，需將點云數據進行濾波處理，提取出地面點云，減少植被對數據采集的干擾。對于地表植被的認定僅應用點云數據存在困難，內業(yè)先把地類邊界線位置劃定，具體地類需外業(yè)進行巡視確認。對于高于地表的建筑物、管線等地物的采集，是點云的優(yōu)勢所在。真彩色模式下的點云在反映管線地物時，由于管線地物較細，導致在此渲染方式下采集此類地物存在一定困難。在高程渲染模式下，與地表有高差的地物可清晰反映出來，在采集管線等地物時具有很大的優(yōu)勢。如圖2所示，在高程渲染模式下，可清晰地分辨出建筑物的細節(jié)及管線的性質。

圖2 點云反映的地表建筑物及管線

山區(qū)地形最直觀的表現(xiàn)就是等高線，將三維激光點云數據濾波，生成山區(qū)地面點，用地面點數據生成高程點，在此基礎上構建三角網，生成等高線(圖3)?？筛鶕ぷ餍枰x擇5 m、10 m、15 m等不同采樣密度的高程點，選擇成圖理想的等高線。

圖3 利用高程點構建三角網生成等高線

由于三維激光點云數據采集的地物為全要素地物，在植被覆蓋度高的地方，僅僅依靠激光點云采集的地形圖會存在地物缺失的情況，因此將基于點云繪制的地形圖輸出紙質圖紙，實地進行巡查、調繪，對因遮擋導致漏采集、錯采集的區(qū)域采用 RTK、全站儀進行補測。

3 精度分析

為了驗證三維激光點云繪圖的平面精度和高程精度，選取了106個點用于三維精度分析，對這些檢核點進行外業(yè)RTK打點確認實際三維坐標，與內業(yè)點云采集的三維坐標進行對比分析。具體統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 三維精度統(tǒng)計表

由表1可知，對于平面中誤差，一類地物點和二類地物點精度較高，原因是這類地物點主要是建筑物拐點，為了采集到建筑物4個面的完整點云數據，對這些地區(qū)進行了多角度的采集，點云密度較其他地方密度高，內業(yè)數據采集精度高。而三類地物有很多受植被覆蓋的影響，內業(yè)采集精度較低。而高程中誤差則不受地物類別的影響。經統(tǒng)計分析，基于點云的1∶500地形圖采集平面中誤差為0.077 212 m，高程中誤差為0.030 868 m。滿足1∶500地形圖采集精度要求。

4 結 語

經統(tǒng)計分析，基于三維激光點云進行1∶500地形圖測圖精度滿足要求。但在實際應用中還存在一定的困難：① 機載雷達采集的建筑物點云密度不夠，需多次多角度掃描才能將建筑物各角度特征掃描完整，這在一定程度上降低了工作效率；② 在植被密集地區(qū)，植被對地表地物的遮擋較嚴重，單依靠三維激光點云數據采集地物結果不理想，需補充外業(yè)采集。綜上所述，如何做好航線規(guī)劃，使外業(yè)采集的三維激光點云數據完整的反映建筑物信息，及如何提高植被茂密地區(qū)點云數據的利用效率是亟待解決的問題。即使存在這些問題，但三維激光點云數據在測繪行業(yè)仍然有廣闊的應用前景。