湯建鳳(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

基于Lidar數(shù)據(jù)的正射影像制作1∶2 000地形圖研究

湯建鳳(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)Research on Using Ortho Image Based Lidar Data to Produce 1∶2 000 Topographic MapTANG Janfeng

摘要根據(jù)中開高速公路勘察項目的實例，介紹一種利用Lidar點云數(shù)據(jù)分類中的地面點和非地面點，通過疊加正射影像來修改地物投影差，判別地貌特征，制作1∶2 000地形圖的方法，打破傳統(tǒng)繪制地形圖必須立體量測的思路。采用Lidar數(shù)據(jù)生產(chǎn)地形圖使成圖周期更短、自動化程度更高，能滿足工程設(shè)計的規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞Lidar點云正射影像制作地形圖

1概述

地形圖一般指的是地表起伏形態(tài)和地理位置、形狀在水平面上的投影圖。即將地面上的地物和地貌沿鉛垂線方向投影到水平面上，并按一定的比例尺縮繪到圖紙上。在鐵路工程、公路工程等項目中，地形圖需要比較精確而詳細(xì)地表示地面地貌水文、地形、土壤、植被等自然地理要素，以及居民點、交通線、境界線、工程建筑等社會經(jīng)濟要素。地形圖的測繪有野外實測制圖、室內(nèi)航空攝影測繪和航天遙感測繪等方法。

目前，地形圖的測繪以航空攝影立體測繪為主要手段。從GB/T7930—2008 《1∶5001∶1 0001∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》、TB10050—2010《鐵路工程攝影測量規(guī)范》、JTG/T C10—2007《公路勘測細(xì)則》、JTG C10—2007《公路勘測規(guī)范》可見，無論是精密立體測圖儀、解析測圖儀還是全數(shù)據(jù)攝影測圖系統(tǒng)，都規(guī)定了定向、空三加密、立體測圖、成圖各過程的精度要求。

結(jié)合中開高速公路項目，介紹一種基于Lidar點云，利用正射影像制作1∶2 000地形圖的方法。

2工程要求

中開高速公路項目位于廣東省中山市至開平市，正線約150 km，比較線約70 km，成圖寬度600 m范圍。測區(qū)呈東西走向，東起東經(jīng)113°37′，西至東經(jīng)112°29′，北起北緯22°41′，南至北緯22°17′。地處繁華發(fā)達地區(qū)，水系發(fā)達，電網(wǎng)密布，各類工廠林立，交通便利，氣候宜人，地形等級為平坦微丘地形，最高海拔約120 m。

根據(jù)中開高速公路項目合同要求，地形圖圖上地物點的點位中誤差為：重要地物不大于圖上0.6 mm，一般地物不大于圖上0.8 mm。高程注記點的中誤差：平原不大于0.23 m、微丘不大于 0.35 m。等高線的高程中誤差：平原不大于0.33 m、微丘不大于 0.50 m[1，2]。這樣的精度要求相當(dāng)于國標(biāo)1∶2 000地形圖的平面精度和1∶500地形圖的高程精度。

如果應(yīng)用一般的膠片航空攝影或者數(shù)碼影像攝影，為了滿足工程要求都必須以成圖比例尺為1∶500來設(shè)計航空攝影的比例尺或地面分辨率，這會加大航攝的成本投入和內(nèi)業(yè)制圖工作。如果以成圖比例尺為1∶2 000來設(shè)計航空攝影的比例尺或地面分辨率，則航測內(nèi)業(yè)制圖必須采取全野外高程控制點和大量實測的高程散點相結(jié)合，大大增加了外業(yè)人員的工作量。在技術(shù)設(shè)計階段，總體思路是找到一種既不增加成本投入，又能減少內(nèi)外業(yè)工作量，最終成果滿足工程需求的作業(yè)方法；采用Lidar技術(shù)，利用正射影像制作地形圖就成為了研究首選。

3作業(yè)方法

中開高速公路項目采用機載雷達(Lidar)掃描技術(shù)，設(shè)備為德國TopoSys公司的Harrier68i系統(tǒng)(見圖1)，飛機采用直升飛機。數(shù)碼相機為德國TopoSys公司的Rollei Metric AIC Pro(像素6 000萬)；慣導(dǎo)系統(tǒng)型號為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率200 Hz；激光掃描儀的型號為Harrier68i，最大脈沖頻率240 kHz，掃描角度45°/60°。該技術(shù)是以激光為測量媒介的新型遙感技術(shù)。設(shè)備參數(shù)見表1，相機參數(shù)見表2。

項目實施總體技術(shù)路線見圖2。

3.1　航攝設(shè)計

綜合考慮Lidar儀器設(shè)備的性能，南方廣東省的地形、地勢、氣侯、高差和方案走向等情況，對攝區(qū)的分區(qū)、航高、航向重疊度、旁向重疊度和航行協(xié)調(diào)等一系列要素進行了合理設(shè)計。本次航攝總計拍攝航片4 182張，有效航片數(shù)3 493張，飛行平均航高700 m。航向重疊度平均約為57%，旁向重疊度約為35%，旋偏角不大于15°，航線彎曲度不大于3%，點云數(shù)據(jù)點密度為9點/m2。

3.2　地面參考站的架設(shè)

地面參考站采用采樣間隔為1 s的天寶5800和天寶5700雙頻接收機。在線路的沿線作業(yè)范圍內(nèi)測量一些高程和平面數(shù)據(jù)來保證后期數(shù)據(jù)處理的精度，消除系統(tǒng)誤差。本項目每隔5 km左右設(shè)計一個參考面，共布設(shè)了27個參考面(見圖3)。平面測量使用GDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK、GPS-RTK和全站儀幾種方式進行，主要采集路邊線和有規(guī)則的房屋等，得到參考面上的平面數(shù)據(jù)，每處一般為20個，總點數(shù)不少于10個。為保證精度，流動站與基準(zhǔn)站的最大距離不超過5 km。高程測量參考面全部選在比較平整的堅硬地面，旁邊無障礙物阻擋。高程采用水準(zhǔn)測量，每個參考面總點數(shù)不少于20個。高程起算點必須在四等水準(zhǔn)高程或以上，由起算點引到參考面附近固定點，參考面觀測按照五等水準(zhǔn)觀測技術(shù)要求進行，得到參考面上的高程數(shù)據(jù)。

3.3　機載激光雷達數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用航飛時同步觀測的基站數(shù)據(jù)，與機上GPS觀測數(shù)據(jù)進行差分定位，解算出航跡位置文件。聯(lián)合航跡位置文件和機上IMU觀測數(shù)據(jù)，解算最終航跡文件?；谧罱K航跡文件和原始激光觀測文件及影像曝光點，解算初步激光雷達數(shù)據(jù)和影像的外方位元素。

機載激光雷達數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖4所示。

3.4　點云數(shù)據(jù)精化

根據(jù)CH/T 8023—2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》中的點類定義，將有效范圍內(nèi)的點分到不同類別中。在DEM制作的基礎(chǔ)上，分別把地面點[3]和非地面點存儲在不同的文件里，利用DEM和航攝影像數(shù)據(jù)制作單幅正射影像(DOM)，利用影像處理軟件對其進行拼接、勻色、分幅，制作50 cm×50 cm的正射影像圖。

3.5　1∶2 000線劃圖繪制

1∶2 000地形圖采用“激光點云輔助正射影像進行矢量化法”進行繪制，外業(yè)調(diào)繪成圖。此方法與傳統(tǒng)航測地形圖有諸多不同。

(1)在繪圖前首先檢查正射影像和激光點的匹配情況，如果二者不符應(yīng)及時查明原因，確定不符對象及其范圍，并采取合理可行的補救措施。

(2)根據(jù)正射影像圖繪制明顯的地物，包括道路、房屋、水塘等。獨立地物一般按比例尺繪出其外輪廓，不能按比例尺表示的，要求表示出其定位線或定位點。

(3)在地物判別不太明顯的情況下一定要參考原始影像。其中繪制房屋和橋梁時一定要考慮其投影變形，在正射影像上先繪出建筑物的大小和形狀，根據(jù)點云數(shù)據(jù)里對應(yīng)的非地面點和地面點來確定其位置。由于激光點是直接的三維坐標(biāo)，沒有投影差，因此其平面精度是非常高的[4]。建筑物、構(gòu)筑物輪廓凹凸在圖上小于0.5 mm時，可用直線連接。街道上面積大于10 m2的安全島、花壇、街心公園，寬度在1 m以上的綠化帶和隔離帶等均要表示。水系及其附屬物按實際形狀測繪，水塘要注意判別坎頂?shù)臏?zhǔn)確位置，坎頂、水邊要注高程點。河流、溝渠、池塘、湖泊、運河、水庫當(dāng)水涯線于岸邊線的投影距離圖上大于1 mm時要分別繪出，小于1 mm的可只繪輪廓線[2]。水渠在圖上寬度小于2 mm時可用單線表示。

(4)繪制地類界、田埂、陡坎、水溝等，要按公路勘測細(xì)則盡量繪詳細(xì)一點，以方便實際調(diào)繪。采樣點間隔不要太大；陡坎可以根據(jù)給出的激光點高程值和原始影像進行區(qū)分。當(dāng)激光點高差比較大，從影像上判斷又是陡坎或斜坡時，應(yīng)該繪制陡坎或斜坡。

(5)原始影像主要是用來對正射影像上判斷不清楚的地物進行區(qū)分，將與正射影像對應(yīng)的原始影像打開，旋轉(zhuǎn)到同一方向，就可以很好的對其進行區(qū)分。

(6)利用精化處理的點云數(shù)據(jù)生成等高線，將等高線上的毛刺和多余數(shù)據(jù)進行編輯。為了滿足地形圖的美觀要求，還要進行圓滑處理，測區(qū)內(nèi)的特征點要保留下來，并篩選及標(biāo)注高程點。

(7)地物、地貌的綜合取舍應(yīng)滿足公路勘測細(xì)則要求，梯田以梯田坎和等高線表示，坎高小于1/2等高距的可以不繪，兩坎間距在圖上小于5 mm的可進行取舍，田埂寬度在圖上小于1 mm時用單線表示，大片居民地內(nèi)可不繪等高線。

(8)植被的測繪按成圖面積大小適當(dāng)取舍，經(jīng)濟作物要重點繪出。

3.6　地形圖的外業(yè)調(diào)繪與修補測量

地形圖調(diào)繪與修補測量嚴(yán)格按照《公路勘測細(xì)則》進行，調(diào)繪的工作底圖為經(jīng)過數(shù)字化作業(yè)的1∶2 000圖并結(jié)合影像圖進行。

結(jié)合測區(qū)和公路設(shè)計特點，對以下幾點進行著重調(diào)繪及補測：

(1)調(diào)繪過程中對室內(nèi)影像判別與實地有誤的地方應(yīng)進行補測，并在圖上進行修改，確保相對位置準(zhǔn)確，圖式符號應(yīng)用恰當(dāng)，各種注記準(zhǔn)確無誤。

(2)對建筑物屬性(層數(shù))、材質(zhì)進行準(zhǔn)確調(diào)繪，對于在圖上無法識別的建筑物，利用全站儀或RTK進行補測，以反映出建筑物之間的相對關(guān)系。

(3)對于在影像圖上無法識別或分不清楚的獨立地物，當(dāng)?shù)孛俗婢庸示?、墳、風(fēng)水樹、廟宇、地下管線等，利用RTK或全站儀進行補測，以反映出與周邊建筑物之間的相對關(guān)系。

(4)各類地理名稱和工礦企業(yè)名稱、植被等按現(xiàn)有的名稱準(zhǔn)確調(diào)注。

(5)對于設(shè)計圖中的橋頭、隧道口、立交互通處的地物準(zhǔn)確調(diào)繪及測注。

(6)實測中心線300 m以內(nèi)的各類管線及附屬設(shè)施，高壓線實測其塔架或電桿位置并注明電壓值及線名，110 kV以上高壓塔要注塔號，并測量懸高及線高程。低壓線和通訊線要測出各個桿位，并分清走向。與設(shè)計公路相交時，測注交叉點與地面的垂直距離。各類地下管線沿地面標(biāo)識測注平面位置，注明其用途走向。

(7)測區(qū)范圍內(nèi)的道路按規(guī)范、圖式要求注記等級和建筑材料。公路實測里程碑并注里程數(shù)，鐵路要實測并標(biāo)注軌面高程，鐵路曲線段要注外軌面高程。鐵路和公路分別按每20 m、地形變化處、橋隧構(gòu)造物處測注高程。

(8)對已有的橋梁其橋墩位置需要測量表示。

(9)對于控制線路方案的重點路段，如隧道、特大橋、大型互通式立交、重大不良地質(zhì)地段、隱蔽地段等，要仔細(xì)測量、調(diào)繪；不能遺漏重要水渠(特別是山腳的水溝)、地物等對設(shè)計有重要意義的地形地貌，不能遺漏每一條寬大于0.5 m的小水溝或人行小路。

(10)當(dāng)陡坎的高度超過1.5 m時，應(yīng)測量坎的上、下高程點。

(11)地形圖的文字注記應(yīng)使用統(tǒng)一字體，字體大小按《地形圖圖式》GB/T20257.1—2007國家標(biāo)準(zhǔn)，文字寬高比為0.8，一般不得另行改動和變更。但沿線村名的字體應(yīng)比國標(biāo)大一號，并且用紅顏色標(biāo)注，以表示與其他字體的明顯區(qū)別。在線路經(jīng)過處，須標(biāo)明各市、縣的分界線。

(12)注意統(tǒng)一大面積的地物符號填充間距，高程點注記小數(shù)點后1位。

(13)提交地形圖時，要及時展繪控制點。地形圖上的平面、高程控制點如在測圖范圍以外，需在點之記上繪出控制點所在位置簡易地形圖。

(14)其它地物的調(diào)繪應(yīng)參照規(guī)范、圖式執(zhí)行。

4精度統(tǒng)計

對完成的DOM、DEM進行外業(yè)檢查。DOM平面檢查采用GPS RTK測量和GDCORS相結(jié)合的方法進行，采用GPS RTK測量控制點，全站儀在GPS RTK圖根點上直接設(shè)站，對定向點檢查無誤后，再測量房角、高壓桿、通訊桿、道路邊線等平面地物特征點，與DOM同名特征點進行比對。 DEM高程精度檢查采用GPS-RTK/CORS測量檢查的方法進行，實地測量旱地高程檢查點、路面高程檢查點、坎上高程檢查點等，采集其高程，與點云成果對比。DLG成果利用外業(yè)實測的地物點、高程點與內(nèi)業(yè)成圖的數(shù)據(jù)進行比對。

4.1　DOM檢查

對全線的DOM進行外業(yè)檢查，全區(qū)面積327 km2，554幅1∶2 000 DOM數(shù)據(jù)成果。由于測區(qū)為帶狀地形，不滿幅的DOM較多，外業(yè)儀檢28幅，抽取位置相對均勻，檢查基本可以反映全區(qū)域1∶2 000 DOM的基本情況，平面點共檢查582個，中誤差為0.33 m，小于限差1.2 m，平面誤差滿足《規(guī)范》要求。圖幅中誤差統(tǒng)計見表3。

4.2　DEM檢查

高程點外業(yè)共檢查905個，中誤差為0.10 m，小于限差0.2 m(平原地區(qū)地類)，高程誤差滿足《規(guī)范》要求(見表4)。

4.3　DLG檢查

對測區(qū)內(nèi)DLG中房屋、道路、鐵塔、圍墻等地物的平面絕對位置和相對位置都進行外業(yè)實測數(shù)據(jù)與圖上測量數(shù)據(jù)的對比檢查，平面點共抽查360個，相對位置距離抽查226處，平面點位絕對中誤差為0.83 m，相對中誤差為0.21 m，小于限差1.2 m，平面誤差滿足《規(guī)范》要求。表5是部分檢查數(shù)據(jù)。

通過實測測區(qū)中道路、水田、陡坎等地物的高程數(shù)據(jù)與DLG測量高程進行檢查比較，高程點共檢查364個，高程點的中誤差為0.17 m小于限差0.2 m，高程誤差滿足《規(guī)范》要求。

5結(jié)論

(1)通過中開高速公路項目的生產(chǎn)實例可以看出:機載雷達掃描技術(shù)為用戶提供了高密度的原始點云數(shù)據(jù)，只要將點云數(shù)據(jù)進行精細(xì)化處理和分類，就可以得到高精度的DEM，基于DEM和數(shù)碼影像可以制作單幅正射影像DOM，在DOM中直接測繪地物、地貌，利用分類后的點云來修改地物的投影差。精度統(tǒng)計說明， 這種方法能夠滿足公路1∶2 000地形圖的規(guī)范要求。

(2)利用Lidar數(shù)據(jù)和正射影像制作線劃圖不需要布設(shè)像控點和建立立體像對，影像清晰容易判別，不需要量測高程注記點，測繪等高線，自動化程度較高，可以提高效率，縮短作業(yè)周期[6]。

(3)應(yīng)該承認(rèn)，LIDAR技術(shù)雖可以得到高精度DEM和高程點，地形圖的平面精度還是比立體量測要低，因為地物的投影差改正精度與點云的密度有關(guān)，點密度大，平面精度就高，地物的中心位置、建筑物的四角和邊緣不可能全部都有點云數(shù)據(jù)，所以只能根據(jù)點云的位置和形狀來修正大部分投影差。

(4)地面點和等高線的精度與Lidar航攝質(zhì)量有關(guān)，減少了人工判別的誤差，高精度的DEM直接可以應(yīng)用于工程設(shè)計的定測階段，可以制作設(shè)計專業(yè)需要的橫縱斷面圖，減少外業(yè)測量人員的工作。

參考文獻

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中圖分類號：P225.1； P231.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)06-0008-05

作者簡介：湯建鳳(1968—)，1989年畢業(yè)于西南交通大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，高級工程師。

收稿日期：2015-08-24