基于无人机lidar系统的1500地形图测绘方法

基于无人机lidar系统的1:500地形图测绘方法
发布时间：2021-04-28T03:06:20.639Z 来源：《防护工程》2021年3期作者：李庚新[导读] 并分析了其成图精度，对于提高1：500比例尺地形图的测绘效率具有极大的参考价值。

中铁第一勘察设计院集团有限公司西安 710043摘要：摄影测量在植被茂密或地形变化复杂的山区进行1：500地形图测绘时难以保证地形数据的精度和可靠性，且需要投入大量的作业人员和软硬件设施才能满足日益快速建设发展的项目需求。

针对这一问题，本文通过某交通工程项目详细地介绍了采用无人机lidar系统
进行1：500地形图测绘的作业流程和作业方法。

经实测验证：使用无人机lidar系统在植被茂密的山区进行1：500地形图测绘能够满足规范要求，相比在此类区域使用摄影测量方法进行1：500地形图测绘极大地提高了工作效率。

关键词：地形图、摄影测量、Lidar、精度中图法分类号：P258 文献标识码：A 1:500 Topographic Mapping Method Based on UA V Lidar System Li Geng Xin
Abstract:It is difficult to ensure the accuracy and reliability of topographic data, when photogrammetry is used in dense vegetation or mountainous areas with complex terrain to conduct 1:500 topographic map. And a lot of operators and facilities is required to meet the needs of the increasingly rapid construction and development of the project. In response to this problem,this article introduces the operation process and method of UA V lidar system in detail through 1:500 scale topographic mapping of a certain traffic project.The result demonstrates that the 1:500 topographic mapping in which dense vegetation mountainous areas using the UA V lidar system can meet the requirements of the specification. Compared with the photogrammetric method in these areas, using UA V lidar system conduct the 1:500 topographic mapping greatly improved our work efficiency. Key words: Topographic map, Photogrametry, Lidar, Precision
1、引言
地形图是工程建设不可或缺依的测绘成果，植被覆盖、大高差等复杂多变的作业环境加大了地形测绘的难度和效率[1]。

摄影测量需要事先布设大量像控点[2]，且在植被覆盖区w无法保证地形数据的精度和可靠性[3]。

随着无人机设备和组合导航技术的快速发展使得无人机lidar系统逐步地应用到了工程测绘领域[4]。

Lidar(light detection and ranging)系统作为一种主动测量方式，无需布设像控点，还可以“穿透”部分植被从而获得地表的三维坐标数据[5]。

有效地解决了摄影测量在植被覆盖区域高程精度不可靠的短板，为大比例尺地形图的测绘提供了新的技术支持。

本文以实际工程项目为例，系统地阐述了如何高效地利用无人机lidar系统进行1：500地形图测绘，并分析了其成图精度，对于提高1：500比例尺地形图的测绘效率具有极大的参考价值。

2、无人机lidar系统组成及地形图测绘作业流程
无人机lidar系统[6]主要由激光器、组合导航、计算控制系统及无人机载体组成。

基于无人机LiDAR系统的地形图测绘作业流程主要包括测区踏勘与策划、空域申请及航线规划、地面控制测量、lidar数据采集、数据处理、DOM与DEM生产、地形要素采集及等高线生成、地形图编绘与精度检查等，其流程如图1所示。

图1 无人机lidar系统地形图测绘作业流程
3、利用无人机lidar系统进行1：500地形图测绘的应用案例
3.1项目概况
某交通工程需要测绘1：500带状地形图，线路长50公里，其中一部分植被茂密、地形高差变化较大，摄影测量无法满足成图精度，因此该部分采用无人机lidar测量系统进行地形图测绘。

3.2数据采集
本项目采用科卫泰X6L-15型无人机飞行平台搭载RIGEL VUX-1UA V型激光雷达，同步挂载4200万像素的正射相机进行该区域的1：500地形图测绘，航高为300米、飞行速度9m/s，航线间距173m，激光视场角90°，激光测量速率为43线/400KHz。

图2为本项目中某架次的航线布设图。

本项目采集的原始数据主要包括：扫描仪数据，影像数据，惯导数据和GNSS数据。

图2某架次的lidar航线布设图
3.3数据处理
本项目数据处理主要包括两大部分：激光雷达数据处理和影像数据处理。

激光雷达数据处理流程包括：航迹解算，点云融合、坐标转换与点云分类[7-8]。

采用Inertial Explorer软件解算无人机航迹，用商业软件Terrasolid-Tscan对点云进行分类处理。

影像数据则采用Terrasolid-Tphoto进行处理，用分类后的激光点云数据对正射相机的POS及相片进行反复迭代纠正，生产出了精度高、畸变小的数字正射影像[9]。

3.4 地形数据生成
地形数据主要为高程点数据和等高线。

本项目使用精分类后的地面点生成15m*15m的格网数据作为高程点，生成0.5m格网间距的DEM 提取等高线。

然后将等高线和高程点导入CASS软件中进行等高线的修剪。

图3为使用0.5m格网间距的DEM提取的部分等高线。

图4为整理后的部分等高线和高程注记点数据。

图4.整理后的局部地形数据
3.5地物要素矢量的采集
房屋、电杆等因投影差而存在像点位移问题，因此本项目中对于如房屋等存在投影差的要素在点云数据上进行矢量化，对于如道路交通、水系、地类界等没有投影差的要素则以数字正射影像为底图进行矢量化。

图5为矢量要素与数字正射影像在的套合图。

通过图5可以看
出数字正射影像中的房屋因投影差而存在明显的像点位移，因此对于有投影差的矢量要素不能在正射影像中直接矢量化。

3.6地形图编绘
将地形数据与地物要素矢量套合到一个文件，在南方CASS中对地形图进行编绘和图面的整饰工作，并对数据不完整的地方进行调绘，形成完整的地形图如图6所示。

图6本项目局部1：500地形图3.7地形图精度验证
本项目共检查200个均匀分布的检查点，地形检查点采用RTK进行测量，地物检查点选择房角点采用全站仪进行测量，分别用于检查地形图的高程精度和平面位置精度。

部分检查点数据如表1所示（已做加密处理）。

表1本项目部分检查点数据
检查点高程与图上高程差值分布情况如图7所示，通过统计分析，实
测高程与图上高程差值在限差0.7米以内的数量占比为99.26%，个别点由于植被过于茂密，无法测到地表而超出限差，这些地方需要通过外业人工补测来完成。

4、结束语
本文以某线路工程为例，探讨了基于无人机LiDAR系统的1：500地形图成图方法，并进行了精度验证。

结果证明：
1）利用无人机lidar系统在山区林地等植被覆盖区进行地形图的测绘工作，高程精度能够达到0.3m，平面位置精度可以达到0.15m，完全能够满足1：500地形图测绘的精度要求。

2）无人机lidar系统的植被“穿透”能力，可以有效地解植被覆盖区传统测图方法不能获取准确的高程信息的弊端，为植被覆盖区1：500地形图的快速测绘提供了有效的技术手段。

当然任何技术手段都有其缺点，对于小部分数据缺失或激光雷达无法“穿透”的区域还是需要通过接触测量的手段进行人工补测。

参考文献
[1]杨昆仑,赵军平.无人机LiDAR系统在大比例尺地形图测绘中的应用[J].测绘技术装备,2020,22(02):69-72.
[2]买小争，杨波，冯晓敏.无人机航摄像控点布设方法探讨[J].测绘通报，2012(S1):268-271.
[3]胡大为，田超.低空无人机航测精度控制分析[J].测绘技术装备，2018,20(4):87-90.
[4]谷潇.无人机机载激光雷达在地质测绘与工程测量中的应用研究[J].应用激光,2020,40(06):1126-1131.
[5]梁欣廉, 张继贤, 李海涛, 阎平.激光雷达数据特点[J].遥感信息, 2005, (3) :71-76.
[6]黄家武.基于机载激光雷达数据的地形图成图技术浅析[J].红水河,2009,28(05):103-106.
[7]吴华意, 宋爱红, 李新科.机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术[J].测绘与空间地理信息, 2006, (3) :58-63.
[8]任宁宁.基于TerraSolid的机载激光雷达点云数据处理应用[J].中国地名,2019(12):41.
[9]张超.基于LiDAR点云数据的DOM制作方法[J].北京测绘,2019,33(11):1405-1408.。