摘要

本文基于飛馬D200S無人機搭載RIEGLmini210激光雷達獲取46.7km2的點云數(shù)據(jù)制作1:500DEM。首先根據(jù)測區(qū)面積大，飛馬無人機管家智航線模塊自動劃分航攝分區(qū)過多的情況，調(diào)整航線長度以減少航攝分區(qū)數(shù)量，統(tǒng)一航線方向減少航攝分區(qū)間航線冗余，從而減少外業(yè)工作量和數(shù)據(jù)冗余；然后制定對比實驗，根據(jù)激光雷達性能，得出點云密度滿足規(guī)范要求的航攝高度和旁向重疊度，減少數(shù)據(jù)總量提高內(nèi)外業(yè)生產(chǎn)效率；最后利用機載激光雷達獲取高精度點云數(shù)據(jù)制作1:500DEM成果。利用野外實測高程點檢驗DEM成果精度，計算得出DEM成果高程中誤差0.072m，滿足規(guī)范中1:500DEM平地區(qū)域中誤差0.2m的限差要求。項目使用飛馬D200S無人機搭載RIEGLmini210激光雷獲取點云數(shù)據(jù)制作1:500DEM，其成果精度滿足規(guī)范要求；項目外業(yè)、內(nèi)業(yè)共投入人力20人/天，總工期歷時7天；該方法作業(yè)效率高，在數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)流程上技術(shù)成熟可靠值得推廣應用。

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關鍵詞

1:500DEM；飛馬D200S無人機；RIEGL mini210激光雷達；

1.引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是通過高程與平面坐標的連續(xù)函數(shù)來描述地面高程信息，是地形曲面的數(shù)字化表達，是基礎空間數(shù)據(jù)的重要組成部分。原來生產(chǎn)DEM主要利用獲取的航空影像采用交互式攝影測量方式進行制作，根據(jù)對立體像對的地形地貌采集特征點、線，再通過內(nèi)插制作DEM。這種方法耗時耗力、效率低下，還隨著地貌特征、植被覆蓋等自然條件的變使得利用該方法制作DEM的工作量和采集難度不定，得到的DEM成果也難以保證其精度的均勻性。

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機在航空攝影測量領域得到廣泛的應用，LiDAR（Light Detction and Ranging,LiDAR）設備的輕量化、小型化發(fā)展，使得在無人機上搭載LiDAR設備成為可能。無人機機載LiDAR系統(tǒng)集成空間定位、慣性測量、激光掃描等多種設備，直接獲取得到地物點的三維坐標數(shù)據(jù)，而且激光能夠穿透一定的植被，獲取植被下地面點得到真實的地表地形，是目前唯一能夠大面積的測量茂密植被下地面高程的可行技術(shù)手段。機載LiDAR點云數(shù)據(jù)后處理算法的持續(xù)研究更新，也為無人機機載LiDAR獲取得到的點云數(shù)能夠通過濾波等操作后得到高精度DEM數(shù)據(jù)，提供軟件技術(shù)支撐。

本文結(jié)合上合示范區(qū)1:500DEM生產(chǎn)項目，根據(jù)作業(yè)環(huán)境和已有的設備參數(shù)等條件，分析作業(yè)難點制定作業(yè)計劃，步步檢核、步步控制，保證獲取得到的點云數(shù)據(jù)制作的DEM成果精度可靠。

2. 項目概述

2.1 項目背景

2021年3月，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設部等28部門聯(lián)合發(fā)布《加快培育新型消費實施方案》，提出“加強新一代信息基礎設施建設。推動城市信息模型（City Information Modeling, CIM）基礎平臺建設，支持城市規(guī)劃建設管理多場景應用，促進城市基礎設施數(shù)字化和城市建設數(shù)據(jù)匯聚?！?/p>

根據(jù)上合示范區(qū)智慧城市建設的需要和國家對CIM基礎平臺建設相關要求，結(jié)合上合示范區(qū)智慧城市建設，上合示范區(qū)管委決定建立上合示范區(qū)城市信息模型（CIM）基礎平臺（以下簡稱CIM基礎平臺），全面推進CIM基礎平臺在上合示范區(qū)智慧城市及規(guī)劃建設管理領域的廣泛應用，作為上合示范區(qū)智慧城市建設重要基礎，將助力上合示范區(qū)精細化、智慧化管理水平的提升，助力上合示范區(qū)實現(xiàn)高標準建設、智能化運營。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）是時空基礎數(shù)據(jù)的重要組成部分，是CIM基礎平臺的重要底圖數(shù)據(jù)。

2.2 測區(qū)情況

測區(qū)位于膠州上合示范區(qū)，面積46.7km2，南北長11km、東西最寬處約8km。測區(qū)內(nèi)地勢平坦，工業(yè)廠房較多，存在少量高層建筑；西南側(cè)有一片較為密集的蘆葦蕩，東北側(cè)有一個突起的山頭，這兩處植被較為茂密；國道228南北向貫穿其中，車流量較大；南側(cè)兩個湖泊通過一條河流東西向連通并貫穿測區(qū)；綜合以上條件該測區(qū)能代表一些建成區(qū)、非建成區(qū)的作業(yè)環(huán)境，具有一定的代表性，圖1中紅線范圍內(nèi)為該測區(qū)范圍。

圖1 項目范圍圖

2.3 成果要求

項目所需的成果數(shù)據(jù)為1:500比例尺的DEM，其應滿足以下規(guī)范：

（1）《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(CH/T8024-2011)；

（2）《機載激光雷達點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標及計算方法》(GB/T36100-2018)；

（3）《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》(CH/T8023-2011)；

（4）《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T24356-2009)；

（5）基礎地理信息數(shù)字成果1:500、1:1000、1:2000數(shù)字高程模型》(CH/T9008.2-2010)。

2.4 設備選用

結(jié)合我院現(xiàn)有的無人機設備和無人機機載激光雷達設備，選用飛馬D200S無人機和RIEGLmini210機載激光雷達。

飛馬D200S無人機是一款基于高性能旋翼平臺的高精度無人機航測系統(tǒng)，飛行器的傳感器采用多路冗余設計，保障飛行作業(yè)安全可靠，設備參數(shù)如下：

表1 飛馬D200S無人機基本參數(shù)

RIEGLmini210機載激光雷達具有多次回波技術(shù)，該技術(shù)可以使得測量具有一定的穿透性，使得穿透雨霧、粉塵和植被縫隙等成為可能。測區(qū)內(nèi)存在的較為密集蘆葦蕩和茂盛的植被，所以選用該型號機載激光雷達作為本項目中點云數(shù)據(jù)獲取的主要設備，其參數(shù)如下。

表2 RIEGLmini 210基本參數(shù)

3. 技術(shù)難點與解決方案

3.1 技術(shù)難點

項目存在以下難點：

難點一：測區(qū)面積大、南北長，飛馬D200S無人機搭載LiDAR設備航程和有限，飛馬無人機管家智航線自動劃分航攝分區(qū)過多，航攝分區(qū)過多增加外業(yè)工作量，產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余和系統(tǒng)誤差。

難點二：測區(qū)內(nèi)存高層建筑，經(jīng)過測量高層建筑物距離地面為105m、塔吊高度約130m，提高航攝高度能確保飛行安全和點云數(shù)據(jù)采集效率，但是點云密度會隨著航高的升高而降低，低密度的點云制作的DEM精度能否滿足規(guī)范的要求。

這兩個難點考驗飛馬D200S無人機和RIEGLmini210機載激光雷達設備的快速數(shù)據(jù)獲取能力。

3.2 解決方案

針對3.1中難點一，提高各航攝分區(qū)內(nèi)航線的相關性、減少航攝分區(qū)，將測區(qū)均勻劃分5個航攝區(qū)域，航攝分區(qū)圖見圖2，其中分區(qū)2、3航線分別向東向西延伸超出測區(qū)邊界外150m，分區(qū)4東側(cè)航線端點和分區(qū)5西側(cè)航線端點分別向西、向東延長并重疊200m。各航攝分區(qū)內(nèi)航線角度統(tǒng)一為90°，各航攝分區(qū)間旁向重疊一條航線。

圖2 航攝分區(qū)圖

針對3.1中難點二，為項目尋找一個合適的航攝參數(shù)，制定實驗如下：

表3 實驗航攝參數(shù)

選定測區(qū)中一個有廠房、高層建筑和部分蘆葦存在的區(qū)域，面積約1.2km2的實驗區(qū)，用飛馬D200S無人機搭載RIEGLmini210按照表3中的航攝參數(shù)進行點云數(shù)據(jù)采集，并進行點云數(shù)據(jù)的解算和基本處理，在測區(qū)內(nèi)間隔均勻的測量25個高程點，檢查實驗區(qū)點云密度和高程中誤差，其結(jié)果如下：

表4 航攝實驗結(jié)果

為了確保無人機飛行安全并兼顧外業(yè)效率，以及獲取得到的點云數(shù)據(jù)密度滿足規(guī)范要求，依據(jù)針對難點二進行的點云數(shù)據(jù)獲取實驗，本項目中航攝參數(shù)設定為：旁向重疊30％、航速7m/s、航高180m。設定的航攝參數(shù)雖然在實驗中點云密度和高程精度均能滿足要求，但是大面積的進行點云數(shù)據(jù)采集，其精度和點云密度能否滿足規(guī)范要求還有待進一步驗證。

4. 數(shù)據(jù)獲取與處理

4.1 航飛作業(yè)和控制點測設

測區(qū)內(nèi)空域情況復雜，白天空域獲得飛行許可時間短，難以持續(xù)航飛作業(yè)。夜間空域獲批時間連續(xù)，架設的差分基站能夠持續(xù)不間斷提供差分信號，有效減少因為基站差分帶來的誤差影響，夜間車輛和人員活動少能有效減少LiDAR點云數(shù)據(jù)的噪點，因此本項目在夜間進行點云數(shù)據(jù)采集的航飛作業(yè)。

LiDAR點云數(shù)據(jù)采集歷時2個晚上，累計飛行26個架次共60條航線，總航線長度為222.4公里，航線分布圖見圖3。

圖3 航線分布圖

測區(qū)內(nèi)均勻布設100個控制點以供后期作為整個測區(qū)高程擬合調(diào)整和一些檢查工作使用，控制點分布圖及樣式見圖4。

(a) 控制點分布

(b) 控制點樣式

(c) 控制點規(guī)格

（a、(b)、(c)為圖4 控制點分布與樣式

4.2 數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理流程見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

（1） 軌跡解算

無人機軌跡采用Inertial-Explore軟件進行解算，解算后軌跡質(zhì)量檢查如圖6。

a

（a）位置精度檢查

b

(b)解算精度檢查

圖6 軌跡質(zhì)量檢查

點云解算和航帶拼接利用飛馬無人機管家點云后處理模塊進行相應處理。

（2） 點云分類和DEM制作

點云分類和DEM產(chǎn)品制作基于TerraSolid軟件進行處理，DEM數(shù)據(jù)制作流程如下：

圖7 解算后點云數(shù)據(jù)

①點云分類：一般的先將所有的點分到一個類中，采集的數(shù)據(jù)因為一些原因造成數(shù)據(jù)存在一些噪點，這些噪點會影響算法的濾波效果和結(jié)果，一般先去除噪點，然后提取地面點，在軟件自動分類后人工干預并調(diào)整地面點。

②DEM制作與檢查：先構(gòu)建TIN，然后逐圖幅檢查，對檢查出的問題根據(jù)造成錯誤的原因進行對應的處理，再次構(gòu)建TIN格網(wǎng)，檢查無誤后生產(chǎn)DEM，對DEM數(shù)據(jù)疊加DOM數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，檢查過程中注意錯分的地類和水面，構(gòu)建TIN和檢查出的問題如圖8、圖9所示。

a

（a）?點云構(gòu)建TIN

b

(b)?檢查問題樣例

圖8 TIN格網(wǎng)和問題檢查

a

（a）?錯誤分類

b

(b)?水面不平整

圖9 DEM套合DOM質(zhì)檢結(jié)果

圖9(a)中魚塘中的凸點就是錯分的類，不屬于地表地形點而是魚塘大型制氧機設備，圖9(b)中水面未處理好不平整。對檢查的問題逐一處理后得到的DEM成果見圖10。

圖10 上合示范區(qū)DEM成果

4.3 項目投入情況

項目投入人力和設備情況見表5。像控點布設、點云數(shù)據(jù)采集航飛作業(yè)、內(nèi)業(yè)點云處理和DEM編輯共計用時7個工作日，效率可見一般，飛馬D200S無人機與RIEGLmini210機載激光雷達的組合完全解決了生產(chǎn)效率的問題，直接為客戶帶來了時間和經(jīng)濟效益。

表5 項目投入

5.精度分析

5.1 精度評價指標

本項目從點云密度、點云高程中誤差、DEM高程中誤差和檢查點的誤差分析這4個方面進行檢核分析，高程精度通過野外實測點進行評定，主要檢查的精度指標見表6，精度指標計算公式如下：

（1） 激光雷達點云密度

密度利用全測區(qū)（水域除外）激光點云個數(shù)與全測區(qū)（水域除外）面積進行計算。激光雷達點云密度計算公式如下：

其中為激光雷達點云密度，單位為個每平方米（個/m2） ；n為測區(qū)內(nèi)激光雷達云點云總數(shù)；ni為第i個水域內(nèi)激光雷達點云數(shù)，單位為個；m為測區(qū)內(nèi)水域個數(shù)，單位為個；A為全測區(qū)激光雷達點云覆蓋的面積，單位為平方米（m2）；Ai第i個水域激光雷達點云覆蓋的面積，單位為平方米（m2）。

（2） 高程精度檢查

高程中誤差用于評定激光雷達點云數(shù)據(jù)高程與其真實的地面高程之間的誤差，利用測區(qū)野外檢查點數(shù)據(jù)進行評定。利用檢查點為中心的鄰近點云內(nèi)插處檢查點位置的高程，進行誤差計算。

表6 機載Lidar點云數(shù)據(jù)制作DEM精度指標

5.2 高程精度檢核方案

在航攝分區(qū)接邊處兩條航帶間、航攝分區(qū)內(nèi)兩條航帶間重疊區(qū)域采用RTK測量方式實測高程點用來檢查原始點云數(shù)據(jù)高程中誤差，所選航帶為：1-3和1-4，1-13和2-1，2-5和2-6，2-9和3-1，3-6和3-7，3-10和4-1，3-10和5-1，4-5和4-6，5-5和5-6共計18條航帶，每兩個航帶間共測量15個點。

數(shù)字高程模型模型高程按照1:500分幅共計867幅，按照《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T24356-2009)中的規(guī)定，隨機抽取90幅DEM進行質(zhì)量檢查，每幅圖上測量高程點25個。

5.3 精度評定

5.3.1 點云密度

按公式(1)計算點云密度，得到點云密度為16.5個/平方米，滿足《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(CH/T8024-2011)的要求。

5.3.2 原始點云高程中誤差

計算航帶間點云數(shù)據(jù)的高程中誤差，計算結(jié)果見表7。航帶間點云高程中誤差均優(yōu)于《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(CH/T8024-2011)中對于點云數(shù)據(jù)高程中誤差15cm的限差要求。

表7 原始點云高程中誤差 單位:m

5.3.3DEM高程精度評定與分析

90幅圖中，每幅圖上測量25個高程點，共得到2250個高程檢查點，計算得到中誤差為0.072m，滿足規(guī)范《基礎地理信息數(shù)字成果1:500、1:1000、1:2000數(shù)字高程模型》(CH/T 9008.2-2010)中對1:500 DEM平坦地區(qū)高程中誤差0.2m的要求。

DEM檢查點的誤差和個數(shù)分段統(tǒng)計見圖11(a)，將檢查點的高程誤差值與其平面位置展繪出誤差分布圖見圖11(b)，分析誤差大小與點位分布，根據(jù)誤差分布圖可以得出DEM檢查點高程誤差的正負、大小與位置無關。根據(jù)圖11可以得出檢查點高程誤差值絕對值相等的正誤差和負值出現(xiàn)的概率大致相同，而且絕對值誤差小的誤差值比絕對值誤差大的誤差出現(xiàn)的概率大。綜上可以得出DEM產(chǎn)品高程誤差大小、符號沒有明顯的規(guī)律分布均勻，因此可以判定DEM成果無系統(tǒng)誤差。

(a) 誤差分布分段統(tǒng)計

（b） 誤差位置分布

圖11 誤差分布圖

6.總結(jié)

大比例尺高精度DEM數(shù)據(jù)獲取與制作一直是一個難點，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，使得無人機為測繪行業(yè)帶來了全新的作業(yè)模式，既減少了人員投入又提高了作業(yè)效率，能獲取得到精度均勻且滿足需求的高精度數(shù)字化產(chǎn)品，保證了新型測繪成果的質(zhì)量和效果。通過本項目可以得到以下結(jié)論：

（1）基于飛馬D200S無人機搭載RIEGLmini210機載激光雷達進行大面積點云數(shù)據(jù)獲取任務，其獲取的點云數(shù)據(jù)制作的1:500DEM成果滿足規(guī)范要求。

（2）本項目針對D200S續(xù)航問題，合理的劃分航攝分區(qū)和規(guī)劃航線用來采集大面積的點云數(shù)據(jù)，合理的航攝分區(qū)劃分和航線布設方式提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，有效的減少冗余數(shù)據(jù)提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。

（3）點云數(shù)據(jù)精度由無人機軌跡數(shù)據(jù)和激光雷達設備共同決定的，本項目能得到高精度、高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，與D200S無人機能夠提供高精度的軌跡數(shù)據(jù)和RIEGLmini210機載激光雷達優(yōu)良的性能是密不可分的，這得益于廠家對無人機設備和RIEGLmini210機載激光雷達的系統(tǒng)整合與優(yōu)化調(diào)教。

（4）飛馬D200S搭載RIEGLmini210機載激光雷獲取的點云數(shù)據(jù)其精度滿足1:500DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)的要求，得到的DEM模型地形精細度是傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的DEM所不具備的。RTK測量桿和全站儀棱鏡桿在外業(yè)測量時其與地面的垂直狀態(tài)不能保證，而且遇到軟土層時測量桿插入土中的情況是不能避免的，所以傳統(tǒng)方式測量得到的DEM成果其精度均勻性也是不可控的。而無人機搭載LiDAR設備采集點云數(shù)據(jù)制作DEM成果，可以有效的避免這些誤差得到產(chǎn)品在整個測區(qū)精度都比較均勻。

（5）飛馬D200S搭載RIEGLmini210機載激光雷達可以全天候作業(yè)。D200S還能仿地飛行，在山地、丘陵地區(qū)可以跟隨地形起伏保持相對航高飛行作業(yè)使重疊度均勻一致，該機型一個飛行平臺可以搭載多種傳感器，航線規(guī)劃和防地飛行操作簡單易懂，這是其他無人機飛行平臺不具有的，作者團隊用該機型獲取了超過8000km航線的傾斜和正射數(shù)據(jù)，也曾經(jīng)在6級風力的情況飛行作業(yè)獲取應急數(shù)據(jù)并且安全降落，這些優(yōu)勢是其他無人機不能比擬的。

無人機技術(shù)的出現(xiàn)使得輕便化、簡單化、低成本的航空攝影測量成為可能，特別的像飛馬這樣專攻、深耕測繪行業(yè)的無人機廠商能提供優(yōu)質(zhì)的無人機飛行平臺和載荷，并且將飛行平臺和載荷系統(tǒng)有機融合，使得航測外業(yè)難度大大降低，航測成果精度能夠保證，提高了數(shù)據(jù)采集的效率，讓我們的工作更加便捷、高效且安全。

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