基于LIDAR数据制作DLG及后期数据处理质量控制

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义
随着科学技术的不断发展，计算机等高新技术得到了广泛应用，数字摄影测量技术也在逐渐发展从而趋于成熟，与之相关的软件平台以及数字立体摄影测量工作站也在不断普及。但长期以来，摄影测量以航空摄影—摄影数据处理—地面测量（空中三角测量）—立体化测量—数字制图（DLG、DTM、GIS 及其他）的基本模式其实质上没有大的变化[1]。这种周期太长的摄影测量技术生产 DLG模式，已经不适合当前信息社会快速发展的需要，甚至无法达到目前“数字地球”对测绘这行业的要求。因此，相对可靠且高效的机载激光雷达测量技术才得以广泛运用[1]。目前随着激光雷达技术的发展，其应用也越来越广泛，并且现在研究激光雷达技术制作线划图的文献也有不少，但是发现大多数仍然过于笼统，制作步骤不够详细。因此为了满足相关测量单位的需求，研究并总结出一套详细且高效的 DLG 生产流程至关重要。数字线划图（DLG，Digital Line Graphic）基本与现有线划图一致，是一个包含了各地图要素以及各要素间的空间关系和相关属性信息的矢量数据集，是国家各项基础工程建设所必须的资料。在数字线划图中确定目标地物的具体位置以及其与周边地物的相互关系是非常快速且准确地。目前有两种最常用的生产DLG 的方法：一个是数字化测图。控制网的建立—外业数据测量—根据外业采集的数据绘制 DLG；另一个是航测制图。首先对航测采集的数据进行处理，然后进行空中三角测量与立体化测量，最后通过室内编辑结合外业调绘成果生成DLG 产品[2]。机载激光雷达测量技术集成了激光、计算机、姿态测定以及 GPS 动态差分定位等技术[3]。在目前的工程应用方面具有很大的研究意义，并且在生产实践中，很多甲方单位要求制作数字线划图，而大多数生产单位对利用机载激光雷达技术制作数字线划图缺乏相关经验，也欠缺熟悉该生产流程的技术员工。因此，，有必要整理出一套有效且详细的利用 LIDAR 数据制作 DLG 的生产流程规范。
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1.2 LIDAR 技术发展历程及研究现状
激光雷达测高技术早在 20 世纪 70 年代就被应用到登月计划中。激光雷达测量技术随后得到了迅速发展，出现了很多机载系统如：大气海洋机载激光系统（AOL）与机载地形测量设备（ATM）等[3]。第一套全固态 LIDAR 系统于 1986年在斯坦福大学研制成功。1988 年，有关研究者开始对机载 LIDAR 断面测量系统进行研究；与此同时，激光雷达技术获取地信信息的研究也开始进行；第一套机载激光扫描系统在加拿大卡尔加里大学研究成功，对于推动 LIDAR 的发展有极其重要的意义。1999 年，东京大学实现了地面固定激光扫描系统试验[4]。由于相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术在随后的几年里得到了迅速的发展，许多发达国家都开始拥有属于自己的机载 LIDAR 系统，与此同时一些商用的硬件设备也取得了丰硕的成果。并且随着这些硬件的成熟，机载 LIDAR 系统的扫描精度可达到厘米级。但从各自技术参数方面来看，每个系统都存在着各自的优劣性。机载激光雷达技术在国内的发展相对较晚。但也取得了一定的成绩。国内第一台 LIDAR 扫描测距—成像系统的原理样机的研制于 1996 年研制成功[5]。第一套没有定位定向功能的地面 LIDAR 系统也随继出现[6]。在 1991 年到 1995 年期间，国内完成了第一套应用与海洋测量的机载激光探测系统[7]。并且从 2004 年开始，国内的有些单位也相继开始在国外采购一些商用机载 LIDAR 系统来应用到生产。
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第 2 章 机载激光雷达技术介绍

2.1 机载激光 LIDAR 系统的组成
机载激光雷达测量系统集成了计算机技术、激光技术、惯性导航技术以及GPS 动态差分定位技术[25]。其主要组成部分包括：（1）动态差分 GPS 接收机，利用差分解算确定激光发射点的瞬时位置；（2）用于测确定扫描装置的主光轴参数的惯性导航系统或多天线陈列 GPS 系统；（3）激光测距仪，用于确定激光信号所经过的距离；（4）用于拍摄地面影像数据，为之后的内业数据处理提供参考的成像装置，通常采用 CCD 相机[3]。只要当这些组成部分在时间上保持精确的同步时，才能使整个机载激光雷达测量系统正常工作。全球导航卫星定位系统（GNSS）为广大用户解决了在地球表面的导航和定位问题。与传统的通过静态定位的方式来测定定位三维坐标的方法相比，动态差分定位在精度、效率、成本等方面都显示出了非常大的优势[26]。在 GPS 定位时，一般都会受到对流层、电离层的误差影响，以及多路径效应的存在，未经改正的定位精度不会很高。但是对这些因素进行一定的改正后其定位精度能够达到10cm 的水平[27]。但是直接将差分 GNSS 定位技术运用到机载激光雷达技术中也有不足之处，如需要布设基站所造成的成本相对较高，定位距离受限制等。然而随着 GNSS精密单点定位技术的出现改变了以往的这种现状，精密单点定位不一样之处在于它将普通单点定位技术和差分定位技术的优点相结合，并克服了两者的缺点，它的出现是 GPS 定位技术继 RTK 定位技术后的又一次技术革命。考虑到机载激光雷达测量区域的跨度一般都非常大，因此精密单点定位技术的特点就特别适合其作业。
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2.2 机载激光 LIDAR 对地定位测量原理
机载激光雷达测量对地定位原理如下图 2-1 所示，假定一个激光束在空间中有一向量为 S，其模大小为|S|，三个方向角为（а、ω、），该向量 S 的起点为 O，其坐标为（X、Y、Z），另一端点 P 的坐标（X1、Y1、Z1）。其中 O 点为机载激光雷达系统中遥感器光学系统的投影中心，它的坐标可以通过 GPS 动态差分技术或者精密单点定位技术来测定；飞机上所安装的的高精度姿态测量装置主要是用于测定向量 S 的三个方向角（а、ω、）；机载激光测距仪可以直接测定向量 S的模|S|。最后通过这些数据的解算得到 P 点的坐标值，从而实现了对地的定位。另外，我们还必须考虑在实际测量过程中出现的一些测量系统的安置偏差参数，比如： GPS 天线的相位中心与激光测距仪的光学中心之间存在的偏差；激光扫描器的倾斜角、仰俯角和航偏角偏差等。为避免这些参数的影响，首先测定这些参数的大小，然后经过一定的检校方法加以测定并改正。
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第 3 章 点云及影像数据处理 .........12
3.1 软件模块的介绍....12
3.2 系统安置误差校正及坐标转换....13
3.3 激光点云数据的滤波分类....13
3.4 提取制作 DLG 的原始数据 ..........18
3.4.1 获取 DEM 数据...........18
3.4.2 提取关键高程点..........19
3.4.2 生成等高线..........20
3.5 影像数据制作 DOM .....21
第 4 章 粗差探测算法研究 .......24
4.1 粗差探测理论........24
4.2 基于规则数据的粗差探测算法....27
4.3 基于不规则数据的粗差探测算法........29
第 5 章 粗差探测实验及点线质量检查...........32
5.1 基于不规则数据的粗差探测实验效果........32
5.2 高程点与等高线的检查........36

第 6 章 DLG 制作及精度评定

6.1 DLG 制作及关键问题分析
原始点云数据、INS 数据、GPS 数据以及影像数据是机载激光雷达系统直接采集的原始数据。原始数据需进行数据预处理，内容包括对数据点中的系统误差进行检校、坐标转换以及影像外方位元素的解算等过程。一般通过预处理后的所有激光点云数据都会存储在一个数据层里。经过滤波分类处理后，我们将不同属性的点云都分配到各自的数据层中，这通过这些点云来制作 DEM 和 DLG 等数字产品。通过对滤波分类后的地面点进行粗差探测，剔除遗留的非地面点，以获得所需的地面模型关键点，最后通过内插的方式生成高精度且规则的 DEM。以已经通过精确分类的地面点数据位基础，再利用数字微分纠正技术逐个像素进行纠正的，并通过镶嵌及匀色等处理最终得到 DOM 数据包含了两种文件格式：正射影像 DOM（.tif 格式）以及影像信息文件（.tfw 格式）。在制图软件中设制一定的绘图比例尺，并导入已通过粗差剔除的地激光点云以及所制作的 DOM 正射影像，再根据不同的地物分图层进行矢量化。对于相对于地面高差不明显的地物参照正射影像直接绘制。机载激光雷达数据所制作的DOM产品精度非常高，即使存在着拍摄角度和航摄高度的影响，但对于道路、地类界这些直接贴近地表面的要素，其影像是非常小的，因此我们可以以正射影像为基础直接进行矢量化。

结 论

论文对目前机载激光雷达的技术特点和其应用前景进行了简要分析。以目前相关生产单位现有的制作 DLG 的生产模式为基础，通过找到其中可以提高效率的环节加以总结和改进，使生产模式得到更加完善。效率的提高主要体现在对等高线的处理以及对分类后地面点中的粗差探测上。另外还对制作 DLG 过程中出现的一些关键性问题进行了研究和分析。通过此次论文的研究和实验，总结了以下几点：
（1）利用机载激光雷达数据制作 1:2000 数字线划图是可行的。机载激光雷达技术在获取精确的三维坐标同时，还可以提供高分辨率的影像数据，并通过相应的内业数据处理可以得到精度较高的 DEM 和 DOM，进而基于 DEM 和 DOM来制作数字线划图。所获取的影像清晰度较高，制作 DLG 的工作效率较高，并减少了等高线与高程注记点的测绘工作，这些都是传统摄影测量无法比拟的。
（2）针对后期数据处理质量控制，我总结出在实际生产中保证线划图制作效率及精度的关键点是提高滤波后地面点的精度以及减少点与线之间的矛盾。在提高地面点精度方面，利用相关加以改进后的粗差探测算法，对所得地面模型进行粗差剔除并对剔除粗差前后的精度进行比较，保证所得到 DLG 的精度。
（3）点与线矛盾检查中，使用了相关程序对高程点和等高线进行相互关系判断，并快速定出有问题点，提高了人工处理等高线的效率。
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参考文献（略）