蒋小海

（广西地理信息测绘院，广西柳州 545006）

随着激光雷达技术发展不断成熟，可以有效克服植被等地表地物的遮挡，精确地探测真实地形地面信息。采集的点云数据是具有高精度三维坐标信息的地面点数据，利用专业处理软件对点云数据去噪、分类，可以快速形成高精度的数字表面模型（DSM）及数字高程模型（DEM）。激光雷达技术被广泛应用在地形测绘、自然灾害监测及林业调查等领域中。文章主要阐述机载激光雷达技术在山区大比例尺地形图测绘中的应用效果，为同类型项目提供一些参考思路。

1 机载激光雷达技术原理

激光雷达技术是激光测距、惯性导航测量（IMU）、差分定位（DGPS）和计算机等多种技术的集成体，按搭载平台不同可以分为三类，即星载、机载和地基激光雷达。

机载激光雷达主要将机载激光探测和测距系统安装在无人机、直升机等平台上进行作业，主要原理为激光测距系统向探测目标主动发射高频率的激光脉冲，直接获取地物表面各特征点的信息，经过处理生成高密度的三维空间坐标，即点云。

激光点云数据的每个点均具有高精度的三维坐标（X，Y，Z），可从不同视角对这些点云进行三维显示、量测，计算点云表达目标的表面积、体积等信息，是激光雷达区别于传统光学遥感和微波遥感数据的最大优点。

2 机载激光雷达应用与发展

对机载激光雷达技术的分析和了解发现，机载激光雷达技术在我国的应用时间较短，相关的基础技术还需要进一步提升和优化，具有广阔的发展空间和应用前景。核心技术落后导致一些具有自主知识产权的核心设备和部件缺乏，需要通过国外进口的方式进一步组建和完善机载激光雷达的硬件系统，对一些具有一定激光强度的设备和测距设备，通过国外进口的方式弥补我国技术领域的不足。

随着科学技术发展，相关科研人员应加大对机载激光雷达技术软件系统的研究，正视国内技术中需要优化的部分，不断完善系统的数据处理功能。

相关部门制定了一系列的政策，鼓励技术人员加强激光雷达数据处理关键技术的优化和提升，在复杂地形图测绘工作中运用无人机载激光雷达技术，不断提升测绘工作的效果和质量。我国已经具备生产机载激光雷达系统设备的能力，并在很多工作领域实现了技术应用和推广。技术人员应不断地推进相关产品走向成熟化，向商品化进行转变，充分发挥机载激光雷达技术的优势，为我国的测绘工作提供更好的服务。

3 应用案例

3.1 测区简介

柳州市鱼峰区某地区有一片即将开发的地块，测区面积约4 km2，该测区地形环境复杂，主要为较陡山区，植被覆盖较为茂盛，需测制1∶1 000比例尺地形图。

3.2 设备仪器

本次设备采用南方测绘集团旗下征图三维公司自主研发的SZT-R1000车机载一体化轻型移动测量系统，该设备将高精度三维激光扫描仪、GNSS卫星定位系统、惯性导航系统、360°全景相机以及控制模块、时间同步模块等功能高度集成，融合多种定位模式，可以方便快捷地安装于汽车和飞机等移动载体上，快速获取高精度多源数据。

3.3 总体技术方案

项目将激光雷达设备搭载在无人机飞行平台上，开展本次作业。

总体设计工艺流程如图1所示。

图1 总体设计工艺流程

3.4 生产流程

（1）点云分类。

点云分类一般包括粗分类和细分类，粗分类通过特定的算法将常规情况下的地面点与非地面点进行大概分离，针对复杂地形一般需要进行细分类。细分类在粗分类的基础上对粗分类的结果进行检查和修改，其内容主要分为两种情况：应归分在地面层的点被粗分类到非地面层，如山脊山谷，需要后期通过手动方式将其返回到地面层中；应分离出来的非地面点未粗分类干净彻底，如植被、建（构）筑物等，需要手动分类干净。

（2）数字地表模型（DSM）制作。

基于分类后的点云数据，在TerraSolid软件平台中，通过设置合理的绝对高程限差值实现噪声点（如扬尘、云雾点及飞鸟点等非地面信息点）过滤，过滤后的激光点云数据可以直接在TerraSolid软件平台生成DSM。

（3）数字高程模型（DEM）制作。

将分类后的地面点点云数据导入TerraScan功能模块，结合人工检查、编辑和修改对点云进一步细分类。激光点采集或过滤造成的地形表现不完整的特殊区域（如河流、桥下、陡坎等），可以添加特征线数据初步构建数字高程模型，由TerraScan导出中间格式（GRD）文件，在GlobalMapper软件中将GRD文件进行批量处理转换为DEM格式文件。

（4）数字正射影像（DOM）制作。

结合高精度的DEM和高分辨率的数码影像，在Inpho软件中完成DOM制作。

（5）等高线制作。

在获取高精度DEM的基础上，直接提取1 m等高距的等高线，取代传统立体采集等高线，可以克服立体采集中植被过于茂密造成的高程不精确弊端。

①使用分类后激光雷达点云成果制作一套XYZ格式的数字高程模型（DEM）。

②使用TerraModel软件将XYZ格式的DEM点，制作成地表面模型（Surface Model）。

③在地表面模型（Surface Model）基础上提取等高线、高程点。

④对提取的等高线进行后期编辑、修整，参与DLG的制作。

（6）数字线划地形图（DLG）制作与调绘。

无人机载激光雷达原始点云数据点密度大，可以直接在点云上进行DLG绘制。该项目利用点云地形地籍成图软件，在点云上通过高程剪裁进行DLG的绘制，获取建筑物低处的位置信息，通过3D窗口的显示判别地物情况、房屋层数及飘窗判别。结合测区的数字正射影像图开展外业调绘工作，进一步确认、细化地物，确保地形图地理要素的正确性和精度。初步成图后，根据外业调绘、补测数据进行修改完善，确保所测制地形数据符合相关规范要求。

4 成果精度分析

4.1 精度影响因素

基于机载激光雷达技术获取地形图成果，根据作业方式的特点将影响数据成果精度的因素分为差分定位（DGPS）、点云分类误差以及系统集成误差。

定位误差（DGPS）可以采用高等级基站坐标或加密基站等方式提高点云坐标精度；点云分类误差一般由点云分类错误造成，如将非地面点的数据引入，造成数字高程模型（DEM）比实际高，或因为将地面点剔除过多，造成DEM数字高程模型（DEM）偏低。

在低矮乔木及灌木区等点云不易分类的区域或其他特殊地貌区域，需要通过后期多次设置分类算法参数，降低点云分类误差；系统集成误差一般由惯性导航测量（IMU）、GPS及激光器等内在设备引起，属于系统内部误差，可以在作业前期通过严格的设备检校消除。

4.2 精度检查结果

本项目按1∶1 000分幅，共有16幅（满幅），为了充分验证地形图精度抽查其中的4幅图，检查占比25%。具体检查方式为针对道路边线、沟渠等特征地物，主要通过RTK测量的方式进行外业检查点采集；高程精度检测全部采用RTK测量方法进行，再与内业采集的高程点进行误差分析。

4幅图共计60个点，平地、丘陵地区的平面中，误差和高程中误差分别为0.41、0.24 m；在山地区域平面中误差和高程中误差分别0.52、0.31 m。根据相关规范要求，基于机载激光雷达技术测制的山区大比例尺地形图的数学精度符合相关规范要求。

5 结语

应用机载雷达技术开展山区大比例尺地形图测绘，可以获取高精度测绘成果，验证该技术在山区大比例尺地形图测绘中的可行性。通过实践表明，该技术在植被茂密山区可以获得平面点位误差为0.52 m和高程误差为0.31 m的1∶1 000比例尺地形图，有助于推动机载激光雷达技术在山区大比例尺地形图测绘中的应用。