李晓飞 李锋
长庆工程设计有限公司 陕西西安 710018
摘要：无人机搭载激光雷达模块、高精度惯导、测绘相机、云台等模块，能够形成一体化的地形测绘方案，轻松实现全天候、高效率实时三维数据获取以及复杂场景下的高精度后处理重建。以下对无人机载三维激光雷达在地形测绘中的应用进行了探讨。
关键词：无人机；激光雷达；地形测绘
引言
无人机搭载相机进行地形测绘已经在各行各业进行了广泛的应用，随着激光雷达的高度集成化，设备在重量大大减轻，为无人机搭载激光雷达创造了条件，激光雷达具有相机无法比拟的优势，其精度高、穿透性强、能够全天候作业，逐渐成为研究的新宠。
1无人机激光雷达系统概述
无人机激光雷达系统使用小型无人机作为飞行平台。它主要由无人驾驶飞机、GNSS导航系统、惯导系统、飞行控制系统、激光雷达、测绘相机和地面控制系统组成。无人机载激光雷达技术是一种主动式测绘地表空间信息的技术手段，通过主动发射激光脉冲，获取探测目标反射回来的信号并处理得到地表目标的空间信息。因此，无人机载激光雷达技术不受天气、光照等条件的制约，能在恶劣复杂的环境中获取了高精度的地面空间信息。其能够实时生成真彩点云，通常单架次飞行可快速获取2平方公里的点云数据。和传统的人工测量的技术手段相比，极大地减少了工作量，缩短了外业测量的时间，提高了测量工作的效率。同时可以对很多较为危险的区域进行测量，减小了外业作业人员的安全风险。
2无人机载激光雷达在地形测绘中的应用
2.1测区概况
某矿区地形测绘中，矿区本身属于山间盆地地形，最大海拔高度1051.86m，海拔最低点为800m，整个矿区地势复杂，植被茂盛且以林木和灌木为主，道路交通条件较为便利，从保证测绘工作质量和提高测绘效率的角度，使用无人机载激光雷达进行测绘工作。
2.2像控点的布设和测量
像控点设置原则: 像控点的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当尽量规范、严格、精确。像控点选在影像清晰的明显地物点、地物拐角点、接近正交的线状地物交点或固定的点状地物上，局部高程变化小且点位周围相对比较平坦地区。当没有明显地物时，采用事先准备好的测量标靶板。
像控点测量:平面坐标和高程测量方法均采用CORS系统直接测量像控点的坐标和高程，使用GNSS设备连接千寻CORS，手簿中加载全球超高阶地球重力场模型EGM2008并联测已知点，平面坐标和高程精度达到1:500地形图的图根点的精度。
2.3测绘数据获取
此次设计航线,考虑到扫描仪有效距离范围,以及测区高差比较大的情况,对测区进行区域划分,按照不同高度两个架次进行飞行。同时考虑到工程的实际情况，在无人机上配置了数码相机，该相机的像素较高，能够获得比较清晰的照片。
此项目外业作业时间分配：前期探勘3天；有效数据采集时间1天；激光雷达数据解算以及验证点采集1天。
2.4数据处理
无人机载三维激光雷达测绘数据处理关键工作包括数据预处理、点云数据滤波、异常点滤波、地物分类提取等四个部分。其中数据预处理工作是将机载点云原二进制数据转换成标准格式，然后对点云数据的三维坐标基于地面基准点三维坐标进行定向校准，最后拼接航带数据并纠正重叠带高程。点云数据滤波是生成DEM(数字高程模型)、特征提取、地形重建的关键，其算法有数学形态学滤波法、基于表面的方法、基于分割的方法以及逐渐加密的滤波算法等。本次采用的是渐进窗口尺寸的数学形态学滤波算法，由小到大渐进式对点云数据进行滤波处理以良好保留建筑、农田与地形的细节。异常点滤波是基于地形图的高程数据，建立各区块的高程阈值与高程差阈值，以对点云高程数据进行异常点筛查，本次是基于点云处理软件Cloud Compare插件对点云数据区域分割后的每一区块数据设置阈值来实现的。地物分类提取是利用渐进三角网滤波算法分离地面点与非地面点，然后设计农作物、乔木等植被的高程阈值对其进行分离，最后基于数学形态学算法提取建筑物。
2.5点云数据成图
将分类出的地面点进行建模（DEM），人工对模型进行干预。对模型中不合理的三角网，将未分离出的地面点进行手动分至地面点，直到三角格网合理化。高程突变的区域，调整软件分类的参数或算法，重新进行小面积的自动分类。在精分类后的地面点模型上，分离出等高线关键点，利用软件自动生成等高线，可设置最小面积、光滑以及等高距等参数，生成项目所需比例尺的等高线。按照所需要的高程点间隔导出点云数据三维坐标，即为高程点数据文件。最后将生成的等高线及高程点数据文件导入CASS软件中进行编辑，即完成对山区地形图高程要素的采集编辑工作。
2.6测绘结果分析
从保证工程质量的角度，需要对测绘结果精度进行检查，检测点遍布整个测绘区域，在均匀分布的同时，具备一定的代表性。对照测绘结果分析，测绘区域内无人机测绘像控点平面误差和高程误差分别小于0.05m和0.2m，检查点平面误差小于0.3m，能够满足地形图精度的要求。
结束语
机载激光雷达发射的激光脉冲对于植被具有一定的穿透作用。在对森林等区域进行测量时，存在着树木等植被的枝叶遮挡的情况，这对测量的结果会有较大的影响。机载激光雷达技术发射的激光脉冲信号对植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上减少植被枝叶遮挡等造成的信息损失，获取森林地区的真实地形数据。机载激光雷达技术获取的数据精度较高，测绘获取的数据的精度，是评价该技术的重要方面和指标。机载激光雷达技术能快速获取大范围区域的地面目标的空间坐标，获取的坐标具有较高的精度，保证了数据的可用性。
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