何 巧,張志敏,許麗雯,肖綺霞
(廣州城市職業(yè)學(xué)院,廣東 廣州 510000)
對(duì)于機(jī)載的激光雷達(dá)航測(cè)主要是能夠集激光掃描以及全球定位等系統(tǒng)融合的新時(shí)期高科技的采集技術(shù)為一體的重要航測(cè)技術(shù)。對(duì)比于以往的機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)技術(shù)來(lái)說,這種新型的雷達(dá)航測(cè)技術(shù)可以更有效地實(shí)現(xiàn)智能化趨勢(shì),并且受到外界天氣因素的阻礙較小,最終測(cè)量出的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度也要更高一些。這也是該技術(shù)在三維空間方面的重要突破,這能夠?yàn)楂@得更高分辨率的空間信息提取提供更加有效地幫助。而輕型的機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)主要是以恩斯特龍、貝爾407等為主要的飛行載體,在這樣的情況下就可以有效地降低大型機(jī)場(chǎng)??康慕?jīng)濟(jì)成本問題,同時(shí)對(duì)于降落場(chǎng)地的選擇也更加具有靈活性,這更能夠做好對(duì)于公路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作的有效知識(shí)。
美國(guó)在20 世紀(jì)70 年代登月計(jì)劃中就已經(jīng)使用了激光雷達(dá)(LIDAR)這一技術(shù)。伴隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)于GPS 等精準(zhǔn)定位技術(shù)也應(yīng)用更加普遍,因此在飛機(jī)上面應(yīng)用的激光測(cè)高儀也能夠更好地推進(jìn)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性,并通過掃描方式來(lái)改變以往的激光束發(fā)射方向。同時(shí)聯(lián)合有機(jī)集成設(shè)備進(jìn)行協(xié)作來(lái)構(gòu)建一個(gè)較為健全的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量相關(guān)系統(tǒng),這樣也能為其他的工作提供更加有效的幫助。
在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展過程當(dāng)中,該技術(shù)也日趨成熟,越來(lái)越多的國(guó)家對(duì)這一技術(shù)的使用也更加廣泛。美國(guó)、加拿大多個(gè)等國(guó)為潛在淺海地形的勘測(cè)過程中,都應(yīng)用了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量相關(guān)技術(shù)來(lái)完成相關(guān)工作,注意將飛行高度控制在為500~600m,直接測(cè)距與定位,最終得到DEM。從我國(guó)的角度來(lái)說,當(dāng)前的機(jī)載激光雷達(dá)相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在1:2000 甚至1:1000 大比例尺成圖并取得了很大的成就[1]。
還需要注意的是,要想做好公路相關(guān)的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作,比例尺需要選擇1:2000,在此基礎(chǔ)上來(lái)保證橫斷面專題圖成果能夠更好地達(dá)到要求。本文當(dāng)中以京滬高速公路改擴(kuò)建勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例,在其中充分的介紹當(dāng)前采用輕型機(jī)載激光,雷達(dá)航測(cè)相關(guān)技術(shù)如何合理地進(jìn)行航線規(guī)劃。同另外工作人員的綜合實(shí)力也要全面的提升,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所提供的重要數(shù)據(jù)支持,來(lái)合理地規(guī)劃好所有項(xiàng)目中的具體工作時(shí)間以及用到的技術(shù)。保證能夠高效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并做好分析,進(jìn)而為該項(xiàng)目的落實(shí)提供重要的基礎(chǔ)。
與此同時(shí),經(jīng)過對(duì)該項(xiàng)目的深入了解,發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目的主要測(cè)區(qū)路段總長(zhǎng)度大約有260km。但由于該路段當(dāng)中被植被所覆蓋的區(qū)域比較大,因此也導(dǎo)致該項(xiàng)目執(zhí)行過程中會(huì)存在較大難度。
從我國(guó)的角度來(lái)說,當(dāng)前的機(jī)載激光雷達(dá)相關(guān)系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在以貝爾407 載人直升機(jī)為平臺(tái)。制作完成了1:2000 比例尺數(shù)字正射影像并根據(jù)業(yè)主提供的設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)了中樁橫斷面專題圖的及時(shí)制作[2]。
(1)飛行平臺(tái)。這一技術(shù)主要應(yīng)用在了貝爾407 載人直升機(jī)上面,此外在進(jìn)行探測(cè)的過程當(dāng)中選擇2 處平臺(tái)區(qū)域,以此來(lái)作為飛行過程中的臨時(shí)起點(diǎn)以及降落點(diǎn)。導(dǎo)航上面所使用的雷達(dá)相關(guān)導(dǎo)航系統(tǒng),也需要根據(jù)實(shí)時(shí)的情況來(lái)及時(shí)糾正飛機(jī)在側(cè)滾以及仰俯等狀態(tài)下的速度和高度的維持。
(2)機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)設(shè)備。該技術(shù)設(shè)備所采用的主要系統(tǒng)是由加拿大所發(fā)明的OptechGemini 系統(tǒng)。這一系統(tǒng)當(dāng)中所使用的脈沖頻率在16.6 萬(wàn)Hz 左右,并且其平時(shí)的工作高度應(yīng)當(dāng)控制在150~400km 的范圍之內(nèi),這樣就能保證測(cè)量的精準(zhǔn)程度有效提升。配置的數(shù)碼相機(jī)像素約在3900 萬(wàn)左右,鏡頭焦距47mm[3]。
項(xiàng)目從實(shí)際情況來(lái)看,對(duì)南方的植被覆蓋面積較大,所以在進(jìn)行勘測(cè)的過程當(dāng)中,一定要做好相應(yīng)的計(jì)劃與準(zhǔn)備,保證機(jī)載的高度與地面高度保持在良好的位置,同時(shí)將誤差減少到0.2m 左右。
當(dāng)將該技術(shù)使用到實(shí)處的過程當(dāng)中,可以在第一時(shí)間獲得到第一密林區(qū)的地貌情況,同時(shí)根據(jù)區(qū)域位置建立TIN 網(wǎng)自行內(nèi)插等高線。同時(shí)通過后期的一些剪輯方式來(lái)更加有效地獲取到等高線專題圖等相關(guān)元素。但需要注意的是,機(jī)載激光雷達(dá)航片在長(zhǎng)時(shí)間的使用情況之下很容易出現(xiàn)變形的情況,工作人員則需要選用合適的方式來(lái)進(jìn)行處理。目前,我國(guó)機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)設(shè)備大多是在自制的DOM 產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)上,采集道路、水系等的平面元素。然而,這種科技方式還面臨著DLG 道路、水體等建筑物平面要素的獲取準(zhǔn)確度低下、建筑物外部輪廓形狀數(shù)據(jù)信息無(wú)法精確獲得等問題。本文章的項(xiàng)目在進(jìn)行使用的過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)使用通過TerraSolid 軟件方式對(duì)機(jī)上激光雷達(dá)飛行測(cè)試數(shù)字航片實(shí)施空三加密處理。通過StarModeler 對(duì)上述的空三加密成果實(shí)現(xiàn)了文件格式轉(zhuǎn)化,提供由Virtuoz、航天遠(yuǎn)景等攝影測(cè)試與立體測(cè)圖軟件系統(tǒng)均提供技術(shù)支持的PAT-B 格式空三加密文檔,進(jìn)而解答了機(jī)載激光雷達(dá)航空測(cè)量的大規(guī)模性與立體精密測(cè)圖問題[4]。本項(xiàng)目將充分發(fā)揮機(jī)載激光雷達(dá)飛行監(jiān)測(cè)多主數(shù)據(jù)庫(kù)特性和技術(shù)資源優(yōu)勢(shì),通過利用獲得的高精度、高密集點(diǎn)云獲得等高度線、高程注記點(diǎn)等高度要素,從而開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了集成機(jī)載激光雷達(dá)航空測(cè)量點(diǎn)云與航空?qǐng)D片的大規(guī)模性DLG 檢測(cè)圖工藝化制造技術(shù)過程。圖1 中是自主開發(fā)的軟件工具StarModeler 數(shù)據(jù)處理界面。
圖1 空三成果轉(zhuǎn)換軟件
從目前的情況來(lái)看我國(guó)的機(jī)載相關(guān)機(jī)關(guān)雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng),涵蓋多種較為先進(jìn)的相關(guān)技術(shù),同時(shí)也包含了多種GPS 等技術(shù)的升級(jí)內(nèi)容。在這樣的情況下應(yīng)用在公路相關(guān)探測(cè)的設(shè)計(jì)工作當(dāng)中,就能有效地獲得高精度的數(shù)據(jù)并作為數(shù)字相關(guān)模型的有效支持,進(jìn)而提升當(dāng)前的公路勘測(cè)相關(guān)質(zhì)量。
從文章當(dāng)中的項(xiàng)目了解情況來(lái)看,激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采用SkvEve 天眼激光科技有限公司的SE-J500C系統(tǒng)。在使用當(dāng)中集激光的掃描儀以及數(shù)碼相機(jī)等內(nèi)融為一體,最終的采樣頻率大約在100Hz 左右,通過利用LIDAR 技術(shù)的,同時(shí)將多個(gè)載體進(jìn)行系統(tǒng)的作業(yè),就可以將定位坐標(biāo)的精度精確到0.15~1m,對(duì)高度就可以精確到10~30cm,對(duì)地面的分辨率更是能夠達(dá)到厘米的程度,通過這些精確的信息數(shù)據(jù),就可以清晰的掌握某一地區(qū)的地理位置和地理特點(diǎn),提供更加精確的三維信息。所以這一技術(shù)的使用要比傳統(tǒng)技術(shù)更加具有先進(jìn)性,同時(shí)掃描的范圍也要更大一些。飛機(jī)則使用北方天途飛機(jī)科技發(fā)展公司的M6FC6 旋翼無(wú)人機(jī)[5]。
在使用先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行航拍的過程當(dāng)中,一定要嚴(yán)格遵循具體要求來(lái)執(zhí)行,如果發(fā)現(xiàn)存在漏拍等問題,那么就要及時(shí)的補(bǔ)充拍攝。補(bǔ)拍的過程當(dāng)中一定要在不影響后續(xù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)之上來(lái)進(jìn)行,并注意只需要補(bǔ)拍漏洞即可對(duì)于其他位置不應(yīng)耗費(fèi)過多時(shí)間。有學(xué)者孫嘉悅,張旭晴,牛雪峰等研究了區(qū)域位于吉林省西北部的白城地區(qū),松嫩平原西部,科爾沁草原東部的某項(xiàng)目。其地勢(shì)由西北向東南依次為低山、丘陵和平原,西南略有抬升。白城市草原遼闊,可利用草場(chǎng)面積9064km2,適用于提取植被點(diǎn)試驗(yàn)[6]。低矮植被為植高20~30cm 的不易與地面點(diǎn)分離的植被點(diǎn)。選取一塊寬1600 像素,長(zhǎng)1200 像素,像素大小為0.05m 的區(qū)域,區(qū)域內(nèi)包含1410 個(gè)激光點(diǎn),其中包含地表點(diǎn)與低矮植被點(diǎn)兩種激光點(diǎn)。在數(shù)據(jù)處理過程中,通過對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行去噪工作、保持迭代角度為3°不變、距離為0.31m 不變且角度為2.5°~3°每隔0.1m 做一次實(shí)驗(yàn)等流程后論出:在低矮植被較多或者地勢(shì)平坦的區(qū)域,迭代角度為最小值1 時(shí),低矮植被點(diǎn)造成的小氣泡狀的等高線會(huì)被完全清除,此現(xiàn)象說明迭代角度值越小,低矮植被分離效果越好[7]。
(1)利用TerraSolid 軟件濾波(分離地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)):該軟件基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理,通過設(shè)定參數(shù)閾值進(jìn)行濾波。其主要的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)為:Maxbuildingsize Terrianangle Iterationangle 等,或值大小取決于測(cè)區(qū)的地形以及植被的高低、密度等。
(2)將分離出來(lái)的非地面點(diǎn)進(jìn)行有效劃分可以根據(jù)點(diǎn)的高程、散布的形態(tài)、密度等情況進(jìn)行落實(shí)。針對(duì)形態(tài)規(guī)律、空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)突出的地物(如房屋、電力塔等),可利用參數(shù)設(shè)定,或利用軟件自動(dòng)獲取。同時(shí),可以通過人機(jī)交互方法輔助分析。也可以使用根據(jù)光反射強(qiáng)度、回波頻率、地物形態(tài)特征等的計(jì)算機(jī)算法組合,對(duì)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自主分析。
DOM 在使用過程當(dāng)中一定不能出現(xiàn)任何的劃痕以及噪聲等,點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度應(yīng)大于1 個(gè)點(diǎn)/m2。數(shù)字地形模型精度要求是:道路縱斷面數(shù)模采集精度應(yīng)滿足平面精度10 個(gè)cm,高程精度≤5cm。被交路線應(yīng)按規(guī)定抽取精度應(yīng)滿足平面精度≤5cm,高程精度<3cm。
在通過對(duì)數(shù)據(jù)分析之后,還要進(jìn)行預(yù)處理,利用GPS 等技術(shù)來(lái)將檢測(cè)的初始結(jié)果及資料提升原有的精準(zhǔn)度。利用GPS 差劃分算POS 數(shù)據(jù)分析,經(jīng)過檢測(cè)后分析航測(cè)的初始資料質(zhì)量,并制定條帶點(diǎn)云、數(shù)碼航片、航跡線、航片GPS 時(shí)間搜索文件等機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)初始資料結(jié)果。最后將了解到的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析之后再做處理,就能更好地保證精準(zhǔn)程度更加符合現(xiàn)階段要求,再利用內(nèi)插制作大規(guī)模性的DEM 結(jié)果。在上述得到的飛機(jī)航跡線和航片GPS 日期搜索文檔基本上得到了飛機(jī)照片外位置元素的日期搜索文檔,再利用同名點(diǎn)選擇和照相畸變擬合,從而做出大比例尺DOM 結(jié)果[8]。圖2 是測(cè)點(diǎn)機(jī)載激光雷達(dá)航空觀測(cè)數(shù)據(jù)和大比例尺測(cè)圖法的概略數(shù)據(jù)處理過程。
圖2 數(shù)據(jù)處理流程
應(yīng)用輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)系統(tǒng),針對(duì)數(shù)據(jù)處理層面,要按照LiDAR 數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行。
(1)對(duì)文件的制作首先要針對(duì)導(dǎo)航情況并依據(jù)實(shí)際的區(qū)域位置做好數(shù)據(jù)的分析。最終要聯(lián)合地面的GPS 等基站內(nèi)容進(jìn)行充分的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的文件落實(shí),從而為今后的發(fā)展提供有效幫助。
(2)還要注意對(duì)于文件的選擇,要保證所有準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)都能控制在合理范圍之內(nèi),如果存在漏洞,要第一時(shí)間進(jìn)行解決。
(3)最后使用的三維激光點(diǎn)相關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)原始的激光束聚焦,更好地對(duì)數(shù)據(jù)分析,并為后期的判斷做好重要的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)所得到的高程控制點(diǎn)也要進(jìn)行及時(shí)校正,保證三維空間坐標(biāo)能正確的計(jì)算出來(lái)。
DEM 是目前使用頻率較高的一種技術(shù),它能夠有效地發(fā)揮自身價(jià)值并提升數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。制作過程如下:①格網(wǎng)化。依據(jù)整體的點(diǎn)云位置值以及參照的節(jié)點(diǎn)之間距離,需要將兩者進(jìn)行充分的結(jié)合,并保證位置能夠更加符合當(dāng)前要求。然后分點(diǎn)云數(shù)據(jù),將其分為多個(gè)較小的圖幅塊。②填充小縫隙。在進(jìn)行信息化的技術(shù)使用時(shí),可以結(jié)合有效技術(shù)來(lái)對(duì)縫隙進(jìn)行填充保障周圍的圖像不會(huì)出現(xiàn)裂縫等情況,進(jìn)而影響數(shù)值的分析。③產(chǎn)生浮雕映像。運(yùn)用一定的手段,將已制作完成的大地資料產(chǎn)生浮雕影像,從而后續(xù)形成三維空間模式,以直觀反映地表現(xiàn)實(shí)。④過濾。過濾這一工作主要是對(duì)過濾的具體參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,選擇好這一內(nèi)容之后才能更好地確保數(shù)據(jù)品質(zhì)達(dá)到現(xiàn)階段要求,從而減輕手工人員的工作壓力。⑤手工編輯。濾波后影像上黑洞是濾波掉附近地物后留下的,只有需人工方法干涉的方式才能達(dá)到這一目的。⑥裁剪重疊區(qū)。內(nèi)插完后,要修剪各幅畫面邊上的重疊部分,最后生成DEM 模式。
在通過上述的處理工作之后,最終得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也要根據(jù)點(diǎn)云的相關(guān)剖面圖進(jìn)行參考,了解周圍區(qū)域的建筑和植被稠密程度。通過有效的了解并充分的劃分來(lái)保證所有的劃分質(zhì)量更能在原有基礎(chǔ)上有效地提升,并為數(shù)量以及技術(shù)的落實(shí)提供有效幫助[2]。
DOM 制作要充分地根據(jù)影像來(lái)進(jìn)行校正工作,這樣可以確保外部的采集影像能夠更符合現(xiàn)階段的標(biāo)準(zhǔn),并注重在短時(shí)間內(nèi)形成正射的相關(guān)影像。然后,必須完成勻色。首先將所獲得的影片輸入INPHO 軟件,并完成了對(duì)正滿射像的勻色處理,使得影片總體色彩更加和諧、均勻。再一步,必須對(duì)編輯鑲嵌線完成合理制造。終于,完成影片分幅制造,終于得到正滿射像DOM。以點(diǎn)云設(shè)計(jì)的數(shù)字地面模式為依據(jù),使用從POS操作系統(tǒng)中提取的外方位元件直接實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)空三加密,整套生產(chǎn)的制造過程無(wú)須外業(yè)像控點(diǎn)。僅要求透過計(jì)算公共加密點(diǎn)的較差值,對(duì)基本定向點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)加以分析與評(píng)估而已。生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),加密點(diǎn)的數(shù)量分布和成果精度之間有密切關(guān)聯(lián)。
從另一個(gè)角度來(lái)說,在進(jìn)行大范圍的相關(guān)制作過程當(dāng)中為使DOM 影像能夠更加均勻地呈現(xiàn)出來(lái)并且過渡更加自然,這也需要工作人員對(duì)原始航片調(diào)色與DOM 后期進(jìn)行綜合處理。
從目前的情況來(lái)看,DLG 制作主要分為平面要素和高程要素。DLG 高度基本要素使用4.2 得到的地面高度點(diǎn)自動(dòng)制造.與此同時(shí),注重高線的平滑度,在國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)落實(shí),如果沒有達(dá)到規(guī)范,那么就要不斷進(jìn)行調(diào)整處理。圖3 為疊加DOM 影像圖后的DLG圖成果。
圖3 疊加DOM 后的DLG
機(jī)載激光雷達(dá)的成果主要用于公路勘察設(shè)的以下幾個(gè)專業(yè):中樁、橫斷面地面高程,拆遷建筑物調(diào)查、不良調(diào)查、高壓線。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程當(dāng)中相關(guān)的測(cè)區(qū)測(cè)量的方式并采用了2000 多個(gè)精度檢測(cè)點(diǎn)來(lái)將其均勻的進(jìn)行分布。通過此種方式,能夠更好地提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度。在業(yè)主提交的工程線路數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,以網(wǎng)上生成的地面點(diǎn)云為基礎(chǔ),建立了TIN 三角網(wǎng),并編制出了中樁縱向斷裂的專題圖結(jié)果。圖4 為中樁橫斷面專題圖成果。傳統(tǒng)測(cè)量方法是采用全站儀和GPS-RTK 測(cè)量。對(duì)于這種山區(qū)高速公路,地勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜,進(jìn)度和精度都無(wú)法保障,同時(shí)測(cè)量過程中安全隱患大。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)則是通過激光穿透植被,獲得高密度的激光點(diǎn)云,生成高精度的數(shù)字高程模型,最后通過相關(guān)專業(yè)軟件提取中樁、橫斷面地面高程,如圖5 所示。
圖4 中樁橫斷面專題圖成果
圖5 通過數(shù)字高程模型提取中鮊、橫斷面高程
綜上所述,機(jī)載激光雷達(dá)采用激光主動(dòng)測(cè)量,克服植被陰影的影響,對(duì)天氣條件相對(duì)寬松,數(shù)據(jù)成果直接滿足公路詳測(cè)與施工圖設(shè)計(jì)要求,不僅保證了工程數(shù)量的準(zhǔn)確性,更加保證了工程造價(jià)可控,從而減少變更設(shè)計(jì)。文章當(dāng)中的項(xiàng)目主要說明了輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)技術(shù)在我國(guó)公路勘測(cè)過程中的案例分析。這一新型的技術(shù)與傳統(tǒng)的勘測(cè)技術(shù)相比具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),并且能夠在南方森林較為濃密的地區(qū),更好地了解當(dāng)?shù)氐匦?,。?duì)以往所不能勘測(cè)到的區(qū)域都能更好地進(jìn)行建模了解。獲取到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也要更高一些,同時(shí)最終的施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)斷面成果也能得到有效提取,通過這樣的方式進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了勘測(cè)一體化的工作要求,為我國(guó)公路勘測(cè)行業(yè)的發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。