机载激光雷达在机场选址大比例尺地形图测绘中的应用

王彬

佛山市测绘地理信息研究院 广东 佛山 528000

1 引言

大比例尺地形图具有详细的地物、地貌和地理信息等，可按照实际需要缩编成不同比例尺，为机场选址、预可行性研究、可行性研究、总体规划设计、近期工程建设初步设计和施工图设计等工作提供全要素、高精度的基础底图。

目前传统的RTK[1]结合全站仪的全野外数字化测量[2]的方式无法满足地形复杂、植被覆盖茂密区域大比例地形图的需要，精度和效率无法得到保障，且安全风险较大。机载激光雷达作为一种全新的测绘技术手段，具有获取数据精度高、速度快、范围大，采样密度高、直接获取三维坐标、有一定的穿透性、多重回波及回波强度信息等特点，较好的弥补传统测量手段的不足，目前正被广泛应用于地形图测量、道桥工程测量、矿山测量等领域[3-4]。

2 机载激光雷达系统工作的基本原理

机载激光雷达是地球科学对地观测的一项新兴技术，是传统无线电技术和微波雷达技术向光学雷达技术发展的产物，通过发射激光脉冲及精准的量测回波所经过的时间计算传感器与目标物之间的距离，再结合载体姿态信息、位置信息进行相关解算和坐标转换可以得到高精度的三维数据。

3 机载激光雷达应用于测制大比例尺地形图的作业流程

3.1 控制测量

首级平面网：为满足机场选址要求，需要在测区内布设首级控制点，按照GNSS-C级网进行观测。采用边连式、网连式布网，由多边形闭合环构成带状图形，其中所有观测边都为独立基线向量，并且要求闭合环中的边数不多于6条。平面控制网采用GNSS静态载波相位观测方法，观测精度结合《民用机场勘测规范》（MH/T5025-2011）中的三等卫星定位测量精度和《全球定位系统（GPS）测量规范》，具体如表1所示。

表1 GNSS网的主要技术指标

GNSS-C级网所有基线解算采用Gamit10.70软件计算双差固定解，所得基线结果应经同步环、独立环及复测边检核；基线解算合格并符合各项限差后，采用武汉大学的COSAGPS V5.21软件进行自由网平差和约束平差。以佛山市GNSS-B级平面控制点及CORS站作为约束点，在佛山市2000坐标系下，对全网进行约束平差。

首级高程网：首级高程控制网按国家二等水准网精度施测，平均每5km布设1个基岩水准点，布设成环形网，并应与国家控制点相联测。起算点高程检测精度不大于mm（R为检测长度，单位为km），主要技术指标如表2。

表2 二等水准网主要技术要求

首级高程网平差计算采用武汉大学的CODAPS V6.0作为平差软件，计算每公里水准测量的偶然中误差及全中误差、最弱点高程中误差、相邻点的相对高差中误差，并分析各项精度指标是否满足规范限差要求。并采用南方平差易2005作为检核软件以保证成果的可靠性。

GNSS-E级加密控制网：依据建立的首级网，在测区进行控制点加密，布设GNSS-E级点，控制点分布均匀。为提高GNSS-E级网高程精度，需进行GNSS-E级点的四等水准高程联测，布设起闭于二等水准点的四等水准网，水准路线尽量沿坡度较小、交通不太繁忙的公路、河堤布设，水准路线一般应闭合成环并构成网状。

3.2 航线设计

飞行器在航飞之前，需要对测区进行实地勘测：包括测区内的最高建（构）筑物的高度（高压线的分布）、测区内适合起飞的场地、以及测区内适合摆放基站的场地[5]。然后根据周边地形、最高建筑物、历史测量数据等进行合理的航线设计，合理划分飞行架次，优化航飞方案，提升航飞作业效率，降低安全事故发生概率。

3.3 像控点布设

像控点是内业空中三角测量的依据，通过在测区内均匀布设平高控制点，平均每平方公里布设1至2个。像控点主要分为3类：软土像控点、硬地像控点、和地物像控点[6]。像控点平面位置和高程测量采用CORS进行RTK测量，软土像控点统一测量标识中心，硬地像控点统一测量“L”内直角，地物像控点测量能明显分辨的特征点。像片平高控制点相对邻近基础控制点的平面位置中误差不超过地物点平面位置中误差的1/5；像片高程控制点相对邻近基础控制点的高程中误差不超过1/10基本等高距。

3.4 轨迹解算与空中三角测量

利用地面站软件进行数据处理。利用控姿态文件（POS数据）、后差分基站和后差分移动站数据文件进行轨迹计算与后差分数据处理。同时，利用共线共面条件方程的解析关系，建立连续摄取的具有一定重叠的航摄像片与实地相似的数学模型，采用机载GPS辅助空三平差软件进行平差，绝对定向时基本定向点残差、检查点误差和区域网间公共点较差的各项限值不超过GB/T 23236-2009 《数字航空摄影测量空中三角测量规范》。

3.5 点云分类

受各类客观外界因素的影响，通过机载激光雷达获取的点云数据存在一定比例的非正常数据，俗称噪点，需要利用一定的算法和数据处理软件对噪点进行删除，最大限度降低噪点对成果的影响，使其客观地反映出地物、地形及地貌特征，提高模型重构的精确度和速度。数据预处理的流程主要包括人工筛选、数据过滤、数据平滑、数据压缩和数据分割等，随着数据预处理算法的不断完善，以及预处理软件自动化、智能化程度越来越高，数据预处理的效率和质量得到了显著提升。

点云数据主要分为两大类型，地面点与非地面点。其中地面点是指能够准确反映地貌特征位于裸地表面的点；非地面点是指落于其他地物上面的点，主要包括落于建构筑物、树木、草地等上面的点。对点云数据进行自动预处理去噪后，为更加准确地区分有效点和噪点，需要结合经验对其进行人工判读与处理。

对原始点云数据进行预处理后进行地面点分类即可得到地面点分类结果，如图1所示，图中绿色点云为植被，橘色点云为地面点。

图1 地面点分类结果

3.6 地形图制作

原则上由内业定位，外业调绘定性。内业对于能够准确识别地地形要素，直接获取点位并用对应地图式符号进行表示，对于内业分辨不清或者位置无法准确捕捉的，进行标注，以在外业调绘及补充测量中进行完善。

如图2所示，激光点云切片前地物外围边界基本清晰。如图3所示，激光点云切片后地物外围边界更加清晰，切片后严格按照地物特征点位采集，不遗漏、不变形、不改变位置。

图2 点云切片前

图3 点云切片后

将地面点生成不规则三角网模型和等高线，如图4所示，不规则三角网模型与规则格网模型相比较，数据冗余程度小，与现状贴合程度高，可以充分地表达复杂地形特征[7]。如图5所示，对等高线继续调整与修饰并形成最终成果。

图4 三角网模型

图5 等高线

3.7 外业调绘

根据内业生产的 1:500数字线划图进行实地调绘，完善地形图的各要素注记，修正线划图中错漏的地形、地物，地类划分，外业调绘主要要求如下：

1、建筑物调绘：建筑物平面位置以房屋外沿最大投影为准，无毗连的建筑物逐个调绘并对房屋的建筑材料和层数进行注记。2、独立地物调绘：牌坊、纪念碑、方向性标志、里程碑、雷达站、避雷针、水塔、烟囱、电杆、水井、坟地等均要求实地调绘并注记。3、管线调绘：电力线、通讯线、地下电缆，电杆、铁塔，各种地面、地下及架空管线均在实地调绘和实测其位置，标注线路方向和类别，并按规定符号表示，密集的管线只绘符号不连线、架空支架按要求适当取舍。4、水系调绘：标注河流、湖泊、水工建筑物的名称，标注河流、水渠水流方向。5、道路调绘：铁路、公路、大车路、渡口、码头、桥涵、隧道等名称，铁路、公路等级、铺面材料以及附属物(如里程碑，指示牌、涵洞等)进行实地调绘标注。6、地理名称调绘：各类地理名称注记，包括居民地、道路、桥梁、市镇街巷、工矿企业、机关学校、医院、农(林)场、大型文化教育建筑、名胜古迹以及山岭、沟谷、河流、湖泊、港口等名称。7、地类界及控制点调绘：各种地类、植被，路堤、冲沟、陡坎、梯田等实地调绘边界和注记。各等级平面控制点、图根点、水准控制点等测量控制点均按规定符号表示。8、根据图上标记错漏的房屋、电杆、铁塔、涵闸、水沟、陡坎、界线、架空道路的桥墩、地类界等地形、地物的地方，利用全站仪和RTK等仪器实地进行地形碎部测量和地物测量。

3.8 数据检查

对成果开展自检，主要包括以下内容：

1、层合法性检查。将地物图层选取错误的直接归到正确图层。2、空间逻辑检查。检查数据空间逻辑性的正确与否，包含以下几点：线对象只有一个点、一个线对象上相邻点重叠、一个线对象上相邻点往返（回头线）、少于3个点的面对象、不闭合的面对象。3、房屋交叉检查。用拖线、加折点、删折点或者重新连线等方法，让房屋线之间紧密贴合在一起。4、面不闭合检查。任何面状地物必须闭合，作图过程中未闭合完成操作时，虽然会显示面状地物轮廓，实际上未完成操作就终止画线操作，产生不封闭面，需要人工闭合。5、高程点与等高线矛盾检查。其主要情况为点线不符，包括以下两种情况：因为等高线未赋值引起的，选择把等高线正确赋值即可。因数据错误点线不符，需人工干预。6、面包含检查。检查指定编码面之间是否存在相互包含的关系，一般用面分割处理。7、等高线检查。一般检查等高线的值，或者等高线的编码是否正确，首曲线、计曲线的编码是否正确。

4 应用案例分析

测区中心位于东经112°34′、北纬22°52′，属于肇庆市高要区与佛山市高明区交界处，测区内大部分为低山丘陵区，高度100-300m之间，山地树木茂密，植被类型以桉树为主，树冠形状有尖塔形、多枝形和垂枝形等，地表多为针叶灌木植物，植被覆盖率95%以上，区内鱼塘众多、道路狭窄、气候不稳定，时有暴雨、冰雹等灾害性天气。为满足机场选址及后续工作的需要，受机场建设相关部门委托，佛山市测绘地理信息研究院采用机载激光雷达与传统技术手段相结合方式对指定范围进行1：500地形图测量。

通过外业数据采集、内业处理、外业调绘等流程，生成1：500地形图正式成果，面积约56.24km2折合标准分幅（40cm×50cm）共1125幅。

成果委托广西壮族自治区自然资源产品质量检验中心进行检验，采用简单随机抽样、内外业相结合的方式进行检查。内业检查成果的坐标系统、高程系统、比例尺等数学基础，数据组织、数据格式、要素编码正确性、要素分层的数据及结构正确性，地形图符号、线划、色彩质量、注记质量、图面要素协调性等整饰质量，检查报告、技术设计总结等附件质量；外业巡查地理要素的完整性、地理要素的协调性、注记和符号的正确性、综合取舍的合理性等地理精度；采用RTK或全站仪测量地物点平面位置与高程，采用测距仪量取地物尺寸等检查数学精度。共抽样检查90幅地形图，检测地物点高程中误差最小为±0.037m，最大为±0.145m，限差为±0.145m；检测地物点点位中误差最小±0.083m，最大为±0.233m，限差为±0.25m；地形图数学精度符合规范要求。

5 结论

机载激光雷达与传统测量手段相结合的方式能够有效克服测区地形地貌复杂、植被茂密、人员难以达到现场且危险系数高等困难，能够快速完成大面积的野外数据采集工作，通过人机交互式数据处理手段，经过点云坐标转换、点云拼接、去噪、分类、制图、调绘等一系列后处理工作，极大地提高了生产效率。本项目的成功实施，有力证明了利用机载激光雷达与传统测量手段相结合的方式测制大比例尺地形图是一种高效率、高精度的方法，随着机载激光雷达和无人机低空航摄技术在行业应用中进一步推广，将来的大比例尺地形图测制工作将更加高效便捷。