机载激光雷达在大比例尺测图中的应用

摘 要：文章简述了机载激光雷达测量技术的原理及特点，通过与传统测量技术的比较，说明了机载激光雷达测量技术在大比例尺测图中的发展前景。

关键词：机载激光雷达；LIDAR；大比例尺测图

引言

福建省某核电厂址位于东冲半岛的东北部、福宁湾的西南岸。测区高程在0-200m，含有一个无人岛屿。地貌主要以山地为主，山势陡峭，尤其是靠临海边的山坡人员根本无法通行，植被茂盛，覆盖率为70%，交通困难。测图比例尺为1：1000。面积约5km2，工期为1个月。

在植被茂盛的山区进行大比例尺测图，如何快速、高效的获取基础空间数据成为测量工作的首要解决的问题。常规人员跑杆方法生产周期长、费用高、效率低。如果采用传统航空摄影测量方法，会因为像控点布设及测量困难而不能作业，即使破坏植被进行作业，立体相对测图也无法满足大比例尺地形图的高精度要求。

人工跑杆结合机载激光雷达数据能够很好的解决这种地区的大比例尺地形图测绘的问题，完成测量工作。

文章结合福建某核电厂陆域1：1000比例尺地形图测绘项目介绍机载激光雷达数据配合人工跑杆的方法在山区、植被茂盛地区测绘工作中的应用。

1 机载LIDAR组成及测量原理

机载LIDAR是综合利用激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精准的三维地形（DEM）。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达毫米级。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确的计算出每一个地面光斑的X、Y、Z。

2 工程项目简述

2.1 工程简介

本工程位于福建省，测区地形属于山地，高差较大地形复杂，山势陡峭，树木覆盖密集。加之多年封山育林，山中几乎没有路，交通十分不便。测图的目的是为核电厂的设计及后续土石方施工提供基础数据。

2.2 工程实施

项目开展前，收集到测区附近的平面控制点、水准基准点、及LIDAR数据。

2.2.1 控制网的建立

只需要满足前期测图及后期土石方施工的需要，在1：1000测区范围内布设了四等GPS控制网。根据地形及交通情况，对部分控制点进行了三等水准测量，其余点位进行了GPS高程拟合并用三角高程进行了检查。

2.2.2 坐标转换

机载激光雷达直接得到的原始坐标为WGS84坐标和大地高，而项目要求为1980西安坐标，1985国家高程基准。这样就要求对机载LIDAR数据进行转换。

（1）平面坐标转换。根据测区的控制网点观测数据及成果，可以计算出测区WGS84坐标与1980西安坐标系相互转换的七参数。利用七参数，把机载LIDAR获取的点云数据（WGS84坐标）计算出转换为控制点的1980西安坐标系下的坐标。（2）高程拟合方案。利用测区内的已有控制网点拟合测区高程异常模型，利用高程异常模型将点云数据的大地高解算为正常高。

2.2.3 外业测量

（1）用常规测量测绘居民地、道路、电杆等地物的同时，同时也与机载LIDAR的高程数据进行了对比。（2）用GPS-RTK对山区进行了散点检查，对个别超限的高程点进行了改正。

2.2.4 成图精度分析

地形图完成后，对外业进行了抽查。检测地形点433个，高程较差最大值为0.958m，中误差为0.336m。满足《核电厂工程测量技术规范》（GB 50633-2010）中规定山地等高线插求点的高程中误差小于0.9Hd（隐蔽地区可放宽50%）的限差要求。

3 机载LIDAR的技术特点

（1）快速获取数据：地面控制工作大大减少，采集的每个激光点都带有真实三维坐标信息，大大减少野外工作量，缩短工期；（2）植被穿透能力：由于激光探测具有多次回波特性，有效克服植被影响，可以更精确探测地面真实地形，是目前能测定植被覆盖地区高程的先进技术；（3）数据高密度、高精度：系统采集的激光点云数据非常密集，精度也高，通常激光点距离1-2m，平面精度0.3m，高程精度0.2m；（4）数据产品丰富：根据需要，机载LIDAR系统还可以配备高清数码相机，在采集地面激光点坐标的同时，还能同时采集同一区域高分辨率影响数据。经过加工处理后，可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等数据产品，在相关专业软件的支持配合下，还可以制作其他数据产品，如城市建筑三维模型等。

与传统航测方法相比，机载LIDAR有自身的优势：

（1）作业环境广，对于植被茂盛或山势陡峭的无人区作业，传统航测由于无法布设像控点，常规测量人员难以进入。但是对于机载LIDAR则不用考虑。机载LIDAR是主动式的测量技术，不依赖自然光、太阳辐射角和阴影的影响。（2）测量精度高，尤其是植被茂盛的测区，传统航测作业方法需要作业人员估计树高而得到地面高程，因此高程精度较差。激光脉冲信号能部分穿过植被，能够快速得到的森林或山区的数字地面模型。

4 结束语

机载LIDAR以高精度、高密度、高效率等特点，在植被覆盖率高、山势陡峭、地形复杂的地区测量有着很好的优势。将逐渐代替传统航测成为测量业较为广泛应用的作业方法。

参考文献

[1]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉大学出版社，2007.

作者简介：焦正华（1983，3-），男，籍贯：河北省石家庄市，学历：本科，职称：工程师，研究方向：测量工程。