基于LiDAR的测高数据制作DEM方法探讨与研究

摘 要：机载激光雷达它集成了激光测量、高精度惯性导航（IMU）和GPS全球卫星定位、数码相机四项技术设备。是通过同步获取激光回波信息、机载GPS信息、机载IMU（惯性导航装置）信息和测区内GPS基站观测数据，经过专业预处理软件差分计算后生成高精度的激光点云数据和影像数据。根据需求，在相关后处理软件平台下，生成高精度的数字地表模型DTM、DEM及DOM。

关键词：LiDAR 测高 DEM 激光

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0032-02

1 机载激光扫描获得地形高程原理

机载激光扫描测高获得地形高程的原理是将激光脉冲测距仪安置在妞行器上，通过记录激光脉冲从发射机发射到地面后经地面目标物反射后的时间延迟，然后再乘以光速c，以此来精确测定发射点到地面反射点（激光脚点）的斜距。同时机载的惯性测量系统（IMU）测定飞行器在空问的姿态参数（侧滚角、仰俯角和航向角），而GPS提供飞行器精确的位胃信息，在后续内业处理中，在提供的IMU确定的姿态信息，GPS测定的飞机飞行航迹数据以及激光脉冲测定的倾斜距离基础上，可求出个激光点精确的三维空间直角坐标（X，丫Z）。通过一定宽度的扫描，就可获得具有大量地面点的三维坐标。本次使用的是ALTM3100系统， ALTM系统同步采集激光地形数据和航空影像数据，可以生成DEM、DOM、DSM，极大地丰富了航摄成果的类型。

2 选用LIDAR获取较高精度的地形数据的优势

LiDAR激光扫描技术是一种主动式遥感手段，利用激光脉冲对目标地物进行扫描，接收回波信息以测定地物。LiDAR激光扫描系统可以同时接收地面四次回波信息，这样，激光点就可以穿透植被，准确的获取植被覆盖区域的地形信息。即使是测区山区面积广，植被覆盖密度大，利用激光数据可以获得高质量的地形数据。

3 DEM技术要求

（1）DEM采样间隔。

1∶10000比例尺DEM采样间隔为5m。

（2）DEM 格网点精度。

高程数据取位至0.1m。1：10 000比例尺DEM格网点高程中误差不大于表1之规定。

（3）DEM 接边差。

同名点高程较差不得超过一个等高距。

（4）DEM 分幅裁切。

DEM按内图廓外接矩形裁切。

4 激光数据处理流程

针对激光数据处理，遵循以下原则。

（1）解算原则、方法：实际解算，采用多边形范围输出，以单条航线存储为一个激光点文件；采用WGS84椭球，UTM投影坐标系。

（2）POS处理说明：处理基站数据时，由观测手簿获得基站坐标及天线高；使用基站时，尽可能多的使用离测区范围最近的所有基站，并且加载静态初始化数据。

（3）航带重叠处理：航线与航线之间重叠的部分，根据航线，需将重叠部分的冗余数据剔除出去，以减小数据量。

激光数据处理的技术流程如下：①原始数据解码：利用地面预处理系统对采集的原始激光数据与POS数据进行解码，从而获得GPS文件，IMU文件，激光点文件等。②POS数据处理：机载POS与地面基站GPS进行差分和融合，获得精确坐标。③激光数据处理：处理后的POS数据与激光点数据融合，获得地面坐标；输出激光点文件。

5 DEM、DSM生产

5.1 激光点滤波

根据地形情况，首先剔除噪声点，包括云、折射等造成的高程异常点；然后设定适合的参数，TerraScan软件自动提取地面点。

5.2 航线接边处理

将POS数据生成的航迹成果信息，加载到激光点文件中，给激光点指定航线号，根据激光点的位置及姿态，对重叠区域进行自动裁切及拼接。

将分类后的数据打开，单独察看ground层，如果发现地形有明显错误或分类效果没有达到标准，则需要将这部分数据重新进行分类计算。

5.4 DEM输出

Ground点编辑完成之后，以规定的标准格式，输出DEM。

（1）利用PCI公司开发的LIDAR数据处理模块LidarEngine软件，导入激光点云数据（*.las格式）。生成DSM为了直观检查DEM的错误（见图1）。

（2）使用LIDAR处理算法，生成激光数据DSM影像。（见图2）。

检查DSM数据，地形高程异常或产生漏洞区域，需要重新修改原始LAS数据和DEM数据，再次生成新的DSM检查。

5.6 成果精度

激光LIDAR获取的DEM高程精度应满足30 cm，平面精度应小于1 m。

5.7 精度超限解决方案

当成果精度经过实际检测，不能满足项目要求时，需要对激光数据进行精度超限改正。有两种方法。

（1）通过外业控制测量，对激光点进行纠正处理，使其精度提高。（2）在测区内，垂直航线方向补飞两条（一个架次内），以垂直补飞数据与原有数据进行匹配（Match），得出改正参数。

5.8 成图输出

格式转换之后的数据按照1∶10000标准图廓进行分幅，作为成果提供使用。（见图3）

6 结语

机载激光扫描测高涉及的实际应用很多，是一个典型的3S集成系统，随着机载激光扫描测高技术的不断成熟和数据处理算法的不断完善，机载激光扫描测高技术的应用领域会越来越广，特别是对于机载激光扫描测高技术。目前的发展趋势表现在以下几个方面，利用机载激光扫描测高数据建立大范围高精度数字地面模型；利用机载激光扫描测高数据建立3D城市模型；紧急如滑坡测绘等灾害事件的快速反应及变化监测；进行森林资源的管理和评估；海岸地带测绘等。

参考文献

[1] 程效军，朱鲤，刘俊领.基于数字摄影测量技术的三维建模[J].同济大学学报，2005（1）.

[2] A ckermann F.Structural changes in photogrammetry[C]//In：The Proc.of 43th Photog.Week，1991.

[3] WehrA，LohrU.A irbornelaser scanning[J].PE&RS，1999（1）：68-82.

[4] 刘沛.多源数据辅助机载激光雷达数据处理的关键技术研究[D].北京：中国测绘科学研究院，2008.

[5] 肖乐斌，钟耳顺，刘纪元，等.三维 GIS的基本问题探讨[J].中国图象图形学报，2001（6）.

[6] 杨必胜，李清泉，梅宝艳.三维城市模型的可视化研究[J].测绘学报，2000（2）.