基于机载LiDAR点云数据的获取方案

赵节霞

(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199)

0 引言

为了满足广东省经济快速发展和规划管理的需要，受广东省国土资源技术中心的委托，中煤航测遥感集团有限公司承担广东省机载LiDAR点云数据获取项目第2期第2个分区的项目LiDAR点云数据获取的工作。项目的范围涵盖河源市、惠州市、汕尾市、韶关市。项目总面积为3.01万km2。

针对本项目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高层建筑林立、海岸带特殊地貌及复杂气流等地形特点的情况下，如何从项目管理、技术设计方案、项目实施、质量检查、安全生产等各个环节进行有效监督，推进项目工作有序开展，满足项目成果达到的立项目标的要求，并在项目中进行科研创新。

1 技术方法

1.1 仪器设备

1.1.1 主要硬件设备

机载激光雷达：RIEGL LMS-Q1560、RIEGL VQ-1560i。

飞机：塞斯纳208。

POS系统：AV610。

1.1.2 主要软件设备

航线设计软件：POSTRACK。

数据后处理软件：POSPAC、RIPROCESS、LiDAR_Suite、TerraSolid、LMS、LiDAR-DP。

1.2 工作内容

办理航摄战区批文及飞行空域申请手续；获取总面积3.01万km2点云数据，在天气及航飞时段适宜的情况下(飞行时段在6：00～18：00之间)获取影像数据；完成姿态校正、噪声点剔除、坐标转换、航带拼接、系统差改正等点云数据的处理工作[1]；对点云数据进行平面及高程精度的检查；项目成果提交至广东省测绘产品质量监督检验中心进行验收，且通过验收。

1.3 技术方案与创新成果

1.3.1 技术方案

项目技术方案如图1所示。

图1 项目技术方案流程Fig.1 Process of project technical scheme

1.3.2 创新成果

华南地区复杂地形的LiDAR设备的组合选择与航线设计：①本项目同时投入世界先进的高性能激光雷达系统，飞行海拔高度可达5 800 m以上，可在不同的飞行高度进行相应的高密度、高精度、高植被穿透力的数据采集工作，非常适合高空、高效率、大面积LiDAR点云数据获取。②摄区范围广，高差大，为保证点云精度，尽可能在保证飞行效率情况下，以城市划片或以规则图形对摄区进行分区[2]，本项目利用自主研发的软件进行航线实时规划，对飞行瞬时的地形、空域、卫星信号等预判。③针对本项目地形高差起伏大、植被茂密、城市群高层建筑林立、海岸带特殊地貌及复杂气流等地形特点，为保证点云精度，尽可能在保证飞行效率情况下，以城市划片或以规则图形对摄区进行航摄分区，每个分区不同飞行方向对点云航带间矫正有困难，为保证高精度的数据解算，在各个分区垂直航向方向布设构架线，并分别在构架线的首中尾或整个测区均匀布设参考面。

保证了海岸带LiDAR点云的密度质量：①LiDAR光束无法穿透水体导致低潮线附近的点云缺失，其所生成的DSM无效值增多，为了能够获取更多的海岸带点云数据，本项目在落潮期对海岸带进行数据获取。②获取海岸带LiDAR点云时，水域存在大量悬浮粒子。对于清澈水域来说，由于不存在悬浮粒子产生的后向散射，因此在清澈水域会形成比较明显的数据空洞；但是对于不够清澈的水面来说，水域存在少量悬浮粒子，其能够反射小部分能量，其余的大部分被水体吸收。因此本项目在海岸带获取LiDAR点云时加大点云密度为规范要求的1.5倍，能够准确反映裸露的地表真实形态。

解决了同分区不同架次之间点云数据的局部精度超限问题：通过尝试同分区不同架次间工程融合处理方法，避免了同分区构架线的重复计算，同时，同分区不同架次间使用同一参数进行平差计算[3]，实践证明，此方法能够提升处理效率约一倍。通过这种方法，使不同架次间点云的相对精度较高，绝对精度可靠。

2 实施管理

2.1 项目组织

为确保本项目按时、按质完成，在项目组织结构方面，各实施单位成立以项目负责人为领导核心的项目组，全面负责本项目实施和质量把控。在实施措施方面采用各种先进的技术管理手段确保实施进度和开发质量。通过建立完善的项目组织结构，充分调动一切可用资源，在项目负责人统一协调领导下，各项目小组既分工明确又协同工作，发挥最佳工作效率。

2.2 项目工期及成本控制

加强项目管理：项目从2018年1月初开始，2019年12月底结束，历时2年整。在项目开工前根据测区气候状况、飞行时间和飞行架次以及其他可预见情况，并适当考虑不可预见因素的影响，编制合理的总体施工进度计划，保证项目按合同约定的时间完成。

保证相应的资源配置，最大可能科研创新：各实施单位各作业组织机构健全，有完善的质量管理体系；各工序流程安排合理，投入的人力资源和软、硬件设备都充分完善[4]；各实施单位自主研发数据后处理软件、质量检查软件以及项目实施过程中诸多新技术的应用，使得作业效率得到显著提高，为项目顺利实施提供了可靠的基础，从而节约了项目成本，极大提高了作业效率。

2.3 安全生产及信息保密

人员安全措施：①工作人员进场前应开展安全生产教育，并在生产过程中开展经常性的安全生产教育。现场作业时，不得擅自进入危险区域作业。在安置仪器和标志时要避开电缆、电线、避免触电。②各类交通工具应始终保持在良好的状态，应对交通工具的状况经常检查，发现隐患及时修理。严格作息制度，做好驻地安全防范工作，与当地政府和群众处理好关系。

仪器设备安全措施：①必须严格按照操作规程使用仪器，贵重仪器须专人操作、专人保管。不得在危险的地方安置仪器。当仪器出故障时，不能擅自拆修仪器，应及时送厂检修。②做好调查区域驻地的设备物资安全工作，防火防盗。做好车辆的维修保养，安全行车。

信息安全保密措施：①严格执行测绘成果保密管理规定，杜绝资料泄密或遗失。未经甲方单位同意，测绘单位不得擅自向第三方提供该项目的任何测绘资料，如有违反将按照合同承担相应法律责任。②在生产作业现场使用的计算机要与互连网保持物理隔绝，并及时做好计算机防病毒工作和数据备份工作，防止电子数据成果的意外损坏和丢失。在生产过程中形成的中间资料在项目完成后统一在监督下销毁。③项目设专门的资料管理员，负责成果数据与文档资料的保管、整理、保密工作，确保资料成果的安全性[5]。

3 质量水平

整个生产过程各作业单位严格按照QEO三体系质量管理体系要求进行，各作业单位组织机构健全，仪器设备、技术力量配备合理。均设立项目负责、技术负责和专职检查员，实行质量负责制[6]。项目严格执行GB/T 18316—2008《数字测绘成果质量检查与验收》规范GB/T 24356—2009《测绘成果质量检查与验收》规范，实行二级检查一级验收制。

3.1 过程成果检查

过程检查分为外业检查和内业检查2部分，外业检查主要包括地面基站检查、检校场布设检查、参考面布设检查等，内业检查主要包括飞行质量检查、IMU/GNSS质量检查、坐标转换质量检查、点云质量检查[7]、影像质量检查等。所有的过程检查记录都详细记录检查和修改结果，确保进入下一工序的过程产品完全合格。

3.2 最终成果检查

经过制作、检查、修改、复查后完成的最终产品，由公司专门管理质量的部门随机抽取进行最终检查，最终检查的结果代表整个项目的最终成果质量[8]，最终成果质量合格方可提交顾客验收。

过程成果检查和最终成果检查时，都会填写一份检查记录表，包括：检查单元、作业员、检查员、检查日期、检查中发现的问题、发现问题的修改状况。

为了控制各工序的成果质量，公司严格实行奖惩制度，根据检查员评定的质量进行奖惩，促使各工序作业人员重视质量，达到以质量求生存，以效益求发展的目的。

3.3 项目成果验收

项目委托广东省测绘产品质量监督检验中心进行检验验收，检验的技术参数包含点云质量、IMU/GNSS质量、飞行质量及附件质量。

经分期分区分批次检验，“广东省机载LiDAR点云数据获取项目”样本未检出不合格品，成果质量判定为“批合格”。

4 结语

响应广东省建设和规划的需要，按照招标书和合同的要求，制定完整可行的技术方案，解决了华南地区复杂地形的LiDAR点云数据的顺利获取及数据后处理，按时保质保量完成广东省全域总面积17.95万km2的机载LiDAR点云数据获取，项目成果通过了广东省测绘产品质量监督检验中心的验收，项目成果达到了立项目标的要求。项目自从2020年1月投入使用以来，经过一年多时间的使用，成果取得了良好的经济效益和社会效益。作为新兴的测量三维数据获取手段，LiDAR点云相关的市场应用不仅在传统的城市测量、数字城市建设、地形地理测绘、电力线路、道路等领域发挥其不可代替的作用，更在森林防火、山体滑坡检测、野外考察、环境生态检测等诸多直接关系国计民生行业产生广泛而深远的影响[9]。

该项目直观反映了广东省的地形、地貌、道路及建筑物的分布情况，可作为广东省三维场景数据地理信息系统数据库更新的依据，对广东省城乡规划、建设和管理中的公益性起到保障性作用。