机载LiDAR航测数字线划图单片测图模型构建技术研究

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摘要：本文提出了一种基于机载激光雷达航测（lidar）的数字线划图单片测图解决方案，经过POS解算，同步获取采集的航片外方位元素，结合地面点云高精度三维坐标信息，可实现航片空三加密，整个作业流程无需外业控制测量工作。根据该技术方案实际工程作业情况分析，单片测图成果可满足1:2000比例尺成图精度要求，有效减少了外业测绘作业量，节省了大量人力、物力成本。

关键词：机载LiDAR；数字线划图；单片测图；点云；数码航片

中图分类号：C35文献标识码： A

1引言

传统数字线划图成图主要基于工程测量模式或航空摄影立体成图模式。其中，工程测量模式存在人工工作量大、难以大面域作业等方面的不足；基于航空摄影测量立体测图模式虽适用于大面积测图，但需进行外业像片控制测量，且需要立体测图软硬件环境支持，对测图作业员技术要求较高。

机载LiDAR航测可同步获取高精度、高密度点云、高分辨率数码航片及POS集成信息等，能快速生成高精度DEM、DOM数据产品。由于缺乏成型的商用数据处理软件支持，基于机载LiDAR航测数据成果进行数字线划图测图并不成熟。

本文主要基于机载LiDAR航测获取的点云、数码航片、POS及自动生成的空三加密成果等，研究基于机载LiDAR航测的数字线划图单片测图模型构建技术，并形成可规模化生产的技术解决方案，有效解决了机载LiDAR航测不能高效进行数字线划图测图的技术瓶颈。

2原理与流程说明

机载LiDAR航测可同步获取高精度、高密度点云、高分辨率数码航片及POS信息等，集成以上获取的多源数据可获得航片的外方位元素，通过空三加密及区域网平差技术可构建基于机载LiDAR航测技术的数字线划图单片测图模型。主要技术路线如下：

2.1、利用共线方程建立点云与已知外方位元素航片的空间对应关系

参考航片外方位元素，以摄影测量共线方程为基础，建立航片像空间与物空间的关联，实现地物要素三维物空间到二维像空间的坐标转换。

（1）

2.2、利用摄影中心S（Xs，Ys，Zs）与特征点的像空间坐标（U，V，W）组成摄影射线，计算与点云模型的交集，确定特征点物方空间坐标Z值

机载LiDAR航测可记录每张航片摄影瞬间的摄影中心S（Xs，Ys，Zs）位置信息，以及利用特征点在像空间坐标系中的坐标（U，V，W），可确定一条摄影射线。其中，由摄影中心确定摄影射线的始点，摄影中心点与特征点的连线确定摄影射线的方向，根据共线方程原理可知，特征点在物方空间坐标系中对应的物方特征点必定在此摄影射线上。

由机载LiDAR航测可精确获取地形以及地表物体的空间位置信息，但受地形差异以及地表物体高度的影响，获取的激光扫描点云数据非均匀分布，若对获取的激光扫描点云数据进行平差与拟合处理，形成高密度均匀分布且真实反映地形以及地表空间位置信息的激光扫描点地面模型，则上述摄影射线与此地面模型的交点可确定特征点对应的物方空间坐标，进而可确定对应的特征点物方空间坐标Z值。单片测图模型如图1所示，建筑物点云与航片的精确配准图如图2所示，建筑物点云剖面图如图3所示。

图1 单片测图模型构建示意图

Graph1 Single photo mapping model construction

diagrammatic sketch

图2 建筑物点云与影像精确配准

Graph2 the accurate match between building’s point cloud and aerial photo

图3 建筑物点云剖面图

Graph3 the profile graph of building point cloud

2.3、根据摄影中心、像点坐标、像片内外方位元素、特征点物方空间坐标Z值计算相应特征点物方空间坐标（X、Y）值

通过获取的特征点物方坐标Z值，便可按照共线方程原理由像平面坐标(x,y)确定三维空间另两个物方坐标值(X,Y)，从而完成从像空间坐标到世界坐标的解算过程。其中，特征点Z值精度直接决定了对应的物点坐标（X、Y）值的精度，物点坐标Z值的精度主要由LiDAR点云模型的点云密度及精度确定，在机载LiDAR航空摄影测量过程中通过规定航测相对航高和点云扫描密度等措施可保证Z值精度。

（2）

2.4、构建点云和航片融合模式的单片测图环境

基于MicroStation和TerraSolid软件进行开发实现，将影像序列的参数信息、相机参数信息和点云数据进行集中管理，在MicroStation平台下借助POS信息将点云与影像精确配准，恢复影像摄影瞬间的姿态，对透视投影模型进行重建，实现将影像和点云转换到同一个投影环境下，系统架构图如下所示：

图4 系统架构图

Graph4 system architecture graph

2.5、开发要素采集与管理功能模块

在单片测图环境下研发要素采集系列工具，实现点、线、面、注记等要素的快速准确采集，同时开发要素管理模块，以国标要素编码为标准，实现要素的规范化管理，为后期采编一体化作业流程的实现提供技术支撑。

图5 StarMapping菜单栏

Graph5 StarMapping menu bar

图6 StarMapping工具栏

Graph6 StarMapping tool bar

图7 单片测图作业界面

Graph7 Single photo mapping workview

图8 建筑物轮廓线采集示意图

Graph8 Collection Buildings’ contours e Effect chart

3、数据试验

为验证本技术方法及系统适用性，特选定某市部分区域作为实验区域，根据不同地貌特征分别选取平地、丘陵地、山地、高山地为实验区，选取房屋、道路、水系等地表要素进行数字线划图要素采集试验，验证本单片测图采集环境在测图精度方面的综合表现。

表1：线划图测图精度评价

Table1：Accuracy Assessment of DLG Mapping

测区 Max(Dz) Max(Ds) 高程中误差 水平中误差 合格率

1 0.38 0.64 0.26 0.15 100%

2 0.38 0.63 0.14 0.28 100%

3 0.36 0.54 0.25 0.32 100%

从表1可以看出，基于本文提出的单片测图模型测图环境，在不同实验区域中采集的要素的平面中误差和高程中误差均小于40cm，满足1:2000比例尺测图精度要求，表明本文提出的单片测图模型的理论基础和数学模型可靠、可行。

总 结

本文提出了一种基于机载LiDAR航测进行数字线划图单片测图的技术方案，形成技术创新，无需外业像片控制测量，减少了传统工程测量成图和立体测图的人力成本投入，摆脱了对立体测图软硬件环境的依赖；同时形成了一套基于机载LiDAR航测同步获取DEM、DOM、DLG的解决方案，提高了基础测绘及工程勘察测绘的作业效率，避免了同一区域传统数码航测与LiDAR航测工作的资金重复投入，可满足城市规划、国土管理、城市应急等各行各业对三维数字化测图的工程应用需求。

参 考 文 献

[1]一种简易的单片数字测图方法，林君建，闾国年，南京建筑工程学院学报，2001年第2期

[2]城市机载LiDAR测图系统关键技术研究与应用，李长辉等，测绘通报，2013年第8期

[3]利用机载LiDAR测绘大比例尺数字地形图的精度分析，王炜，测绘通报，2012年第6期