机载LiDAR技术在福建省基础测绘中的应用研究

罗 杰

（福建省测绘院，福建 福州 350003）

机载激光雷达（Light Detection and Ranging，简称Li－DAR）技术是目前很受欢迎的低成本获取高精度数字表面模型（DSM）或数字高程模型（DEM）的一项高新技术，具有不受昼夜限制、天气影响很小、获取数据精度高、生产数据的外业成本及后处理成本显著降低的优点[1]。鉴于机载LiDAR技术在获取地面三维数据方面的显著优势，近年来，部分省份如江苏、浙江、宁夏、吉林等，先后开展了利用LiDAR点云数据生产高精度省级基础测绘DEM产品的应用研究，取得了丰富的成果。文献[2]对DEM生产中架空地物、低矮作物覆盖的田块、连片池塘等要素的地面点云精处理方法进行了阐述。文献[3]介绍了利用参考影像配合点云数据以确定被作物或林木覆盖的耕地、林地范围，通过对作物或林木实现降高程操作，获得耕地、林地地块的高精度高程；
并进行了外业打点精度验证。文献[4]则叙述了点云数据中建筑物、河流水面、道路隔离带和山边房屋等若干问题的处理方法。文献[5]、文献[6]总结了基于LiDAR点云生产DEM的技术方法和流程。这些研究解决了基于LiDAR点云数据生产DEM过程中多数会遇到的关键问题。

福建省也是国内较早在省级基础测绘中开展LiDAR点云数据获取及处理研究的省份之一，早在2013年即开始对全省实施LiDAR数据获取项目，至2019年实现了LiDAR点云数据的全省覆盖获取，并将获取到的LiDAR点云数据用于制作高精度省级基础测绘DEM。在此期间，福建省也逐渐积累了一些具有自身区域特点的数据处理经验。下面结合福建省的DEM生产实践，阐述相关研究体会。

1.1 研究区概况

研究区为我国东南沿海的福建省，包括陆地、主要的大岛屿和沿海滩涂，总面积约12.4万平方千米。研究区主要有以下几个特点：（1）福建省号称“八山一水一分田”，以丘陵和山地为主，且地形起伏变化十分细碎；
而全省海拔80米以下的平原台地仅占总面积的10%左右，集中在沿海一带；
（2）区域内植被茂密，森林覆盖率全国第一，高达66.8%；
（3）水系较丰富，虽然河网密度仅0.1千米/平方千米左右，但狭长细小的溪流数量众多，水位落差大，水电资源丰富；
坑塘、小水库及其堤坝都很多，面积不大且零散分布；
（4）作为沿海省份，海岸线漫长，拥有众多的海堤和滩涂。以上这些特点，导致福建省与其他省份相比，对数据处理的思路有所差异。研究区范围及位置示意图如图1所示。

图1研究区范围及位置示意图

1.2 点云数据基本情况

福建省获取的原始激光点云数据为航带点云数据，其点间平均间距小于2米，点云密度大于1点/平方米，同期还获取了地面分辨率优于0.5米的数码航摄影像、机载GPS/IMU数据和检校数据。

2.1 生产流程

DEM生产主要包括两项工作内容：点云数据处理和DEM制作[7]。

点云数据处理：机载LiDAR系统航摄获取到的点云数据为航带点云数据，需先经过航带拼接和平差，形成成片区域的点云数据；
再经过坐标系转换，得到基础测绘规定坐标系下的点云成果；
然后进行点云分类，提取出点云数据中的地面点。

DEM制作：对地面点进行必要的数据加工处理，再生成DEM。

生产流程图如图2所示。

图2生产流程图

2.2 点云数据处理

2.2.1航带拼接和平差

导入相邻航带的原始点云数据，对重叠区域进行接边检查。小于限差的可以进入下一道工序；
大于限差的，应先进行航带点云数据的接边平差处理，使重叠区点云数据的高程值趋于一致，再进行拼接。接边平差解算采用TerraMatch软件处理（或采用架构航线点云数据进行改正）。考虑到点云数据为高精度数据，根据CH/T 8024《机载激光雷达数据获取技术规范》规定，取平地点云高程中误差（0.35米）为接边限差[8]。

2.2.2坐标系转换

原始点云数据通常采用的是WGS84坐标，而基础测绘成果要求是2000国家大地坐标系（CGCS 2000）。因此需先进行坐标系转换，得到点云数据中各测点的CGCS 2000坐标系三维坐标，再以福建省似大地水准面精化成果对点云进行高程改算，将点云数据的CGCS 2000大地高转换为1985国家高程基准的正常高，得到点云数据的85高程。

2.2.3数据分块

航带拼接后的点云数据量很大，不便于计算机处理和生产任务分配，因此对接边好的条带点云数据应进行分块，一般按矩形切块，每个数据块作为软件处理的一个单元。数据块的大小主要基于计算机性能，并兼顾生产上的任务分配。

2.2.4点云分类

点云分类的目的是将点云数据中的地面点和非地面点进行分离。点云分类包括粗分类和精细分类。

粗分类是利用Terra Scan软件批量对点云进行整体粗分处理。作业时，首先根据地形地貌特点，提取初始地面并设定迭代阈值，调制出点云粗分类宏命令，通过反复试验、对比检查和调整设定，直至整体粗分结果达到较满意的效果。为了降低后期精细分类的人工编辑工作量，在开始精细分类工序之前，还要利用Terra Scan软件对整体粗分结果制作点云高程晕渲图，检查粗分类效果。对分类效果较差的较大区域，圈出该区域，还原到未分类状态，分析区域内地形地貌特点，并根据分析结果重新调制参数对该区域点云进行局部粗分。重复该过程直至任务区内所有的局部粗分均达到较满意效果为止。

精细分类是利用Terra Scan或LiDAR-DP软件中的各种手工分类工具，对粗分类错误的点云数据，通过调制参数和人工编辑的方式，重新进行分类，以修正点云粗分类错误。精细分类阶段的调制参数针对性更强、区域范围更小，通过对建筑区、耕地、乱掘山地、沿海养殖坑塘等区域设置不同的阈值参数，再结合人工编辑，更为精准地实现地面点分离。

2.3 DEM制作

2.3.1地面点数据处理

精细分类之后得到的地面点还不能直接用于生成DEM，因为存在数据空白区或存在架空地物等，还需要进行进一步精加工（如，滤除架空地物点，补充特征点、线等），之后才能用于生成DEM。

2.3.2DEM生成

利用地面点处理后得到的数据集构TIN生成DEM，并按标准图幅外扩一定范围裁切，再经过接边处理，生成福建省基础测绘所要求的分幅DEM成果。

3.1 点云数据处理阶段

点云数据处理方面，福建省主要生产特点是精细分类阶段的处理需要更加精细。

精细分类阶段的任务是对粗分类错误的点云数据进行重新正确分类。粗分类错误的点云可通过以下操作寻找发现：

（1）用粗分类结果制作点云高程晕渲图，检查是否有突变。

（2）引入同期航摄影像作为参考，检查是否存在粗分类异常。

（3）基于晕渲图或同期航摄影像检查情况，在可疑区域截取点云断面，目视检查确认是否存在粗分类错误。

这些操作目前都依赖于人工处理。在这种模式下，人工处理的精细度，取决于植被覆盖率、地形变化的成片及连续程度；
植被覆盖率越高，地形变化越是褶皱、越是零碎不连续成片，人工处理需要截取的断面数量就越多，对渲染图的人工分析精细程度就越高。

福建省恰恰是以丘陵地和山地为主，森林覆盖率极高，植被茂密，地形又十分细腻零碎的区域，这些区域特点给精细分类作业带来极大麻烦。以点云断面截取为例，地形零碎区域常常要按DEM格网间距或格网间距一半进行断面截取。根据福建省点云数据处理的经验，精细分类是整个项目中耗时最多、投入人员最多的工序。据粗略统计，精细分类所耗费时间约占整个作业时间的80%。而从其他省份研究情况看，仅占三分之二左右时间[2]。

3.2 DEM制作阶段

文献[2]—文献[6]已对架空地物、建筑物、河流水面、低矮植被等地面点数据处理中的关键问题提出了有效解决方案，本文不再赘述。以下仅对上述文献没有论述或尚未深入讨论，但在福建省生产中常常遇到的部分特殊地面点数据处理问题进行补充阐述。

（1）福建省为沿海省份，海岸线漫长，拥有大量的沿海滩涂。常规的LiDAR数据获取项目，为了兼顾获取同期航摄影像，航摄时间往往不是沿海滩涂当天的低潮位时间。此时滩涂往往被海水所覆盖，LiDAR信号被海水吸收，无法获取到滩涂地面点数据。为解决这一问题，福建省对于沿海滩涂一带，安排了专项滩涂航摄任务，并把航摄时间安排在当地沿海滩涂的低潮位时间前后，最终获取到了较为完整的高精度沿海滩涂地面点云数据。在生产福建省基础测绘DEM时，提取这批专项航摄的沿海滩涂点云数据作为地面点一起参与构TIN建模，保证了沿海一带滩涂DEM的正确性和高精度。

（2）点云数据在水体区域空白无数据。通常做法是：对于水库、坑塘等静止水域统一采集闭合水涯线并赋高程；
对于河流等流动水域，则分段采集水涯线并赋高程。然而福建省溪流、坑塘、水库众多，溪流多数狭长细小，坑塘、水库许多面积不大且零散分布，全部处理起来工作量巨大而作用又有限，因此有必要进行综合取舍，对流动水域根据宽度、对静止水域根据面积设定合理的最小上图指标。

（3）山区地带依山而建，背靠坡、坎的建筑物。在滤波后若直接建模，会出现地基不平的异常情况如图3a所示。对于此类情况，一般采用在靠近坡、坎一侧人工补充特征线做地基平整处理的方式进行消除。处理后效果如图3b所示。

图3地基平整处理前后效果

但福建省山区地带平地较少，依山而建的建筑比比皆是，且多为零散分布，三栋一群，五栋一组。若对所有依山建筑物都要求实施地基平整处理，则工作量十分巨大且无必要。因此，对要求做地基平整处理的依山建筑物应设定最小上图指标，具体可参考1∶10 000地形图或地理国情监测居民地相关上图指标，并结合DEM格网间距对其作出规定。

（4）福建省部分山地为原始森林所覆盖，植被异常茂密，LiDAR信号很难甚至无法穿透植被到达地面，以致获取到的地面点十分稀少甚至没有，即便在获取点云平均密度大于1点/平方米的情况下，分类后依然发现有部分1平方千米以上的地面点数据空白区。这种情况其他省份通常考虑采用测量植被高度以降植被高程的方式处理；
但在福建省实际作业中发现植被高低参差不齐或常常无法测量，植被覆盖范围也难以圈定，采用这种方式处理的效果并不理想，容易导致地形过于失真。最终此类困难区域改按以下方法进行处理：

对困难区域的点云数据截取断面，重新安排人工精细分类，尽量把点云数据中存在但原先分类未能分离出来的地面点重新提取出来；
确实没有地面点的，根据山形走向特征，酌情增补特征点、特征线数据。

基于同期航测立体模型补充采集特征点和特征线数据。

此类困难地区即便在经过上述方法处理后，仍然可能无法精确反映实地地形，因此，作业目标以能够体现该区域的主要地形轮廓（如，主要的山脊、山谷、高低点等）为准。

（5）福建省水电资源丰富，为利用山区水力发电而建的小型堤坝数量众多，沿海还有许多海堤，此外，福建全省村村通公路、小型公路也很多。这些小型堤坝、公路等地物，有的由于宽度较小或长度较短，可能只有少数点云落在堤坝顶面或路面，难以体现堤坝和道路的实地情况，为避免失真，需对这些小型堤坝和道路补充提取边线建模。以小型堤坝为例，未处理前呈现为没有堤坝的失真，处理后则有堤坝如图4所示。

图4堤坝处理前后效果

3.3 精度验证

精度验证分陆地和沿海滩涂两个部分进行，分别采用不同的外业检测方法。

（1）选取厦门、漳州、泉州三地市片区主要陆域对陆地DEM成果进行精度检测。外业采用RTK仪器野外测绘检测点，共计施测1 595个，剔除落在架空地物上或实地已经变化的38个不合理点，用剩余的1 557个有效点对DEM成果进行精度评估，得出陆地DEM成果高程中误差为0.316 6米。精度检测结果如图5所示。

图5陆地DEM检测高程中误差

（2）选取莆田市湄洲湾沿海的局部滩涂对沿海滩涂DEM成果进行检测。外业采用水下地形测量的方式进行检测，以测量船搭载RTK+中海达HD-370全数字单频测深仪，对该处滩涂实施水下地形数据采集。外业总共施测了193个检测点，经解算比较，滩涂DEM检测高程中误差为0.078米。

（3）抽检的精度检测结果表明项目DEM成果精度明显优于省级基础测绘对1∶5 000、1∶10 000比例尺DEM的精度要求（平地0.5米、丘陵地1.2米、山地2.5米）。

随着LiDAR技术在越来越多的省份逐步推广应用，本文所阐述的基于LiDAR点云数据制作高精度省级基础测绘DEM产品的方法及部分特殊地物处理技术的经验性总结，对地形多变、水系丰富、植被茂密的省份实施类似项目具有一定参考意义。