结合无人机和地面三维激光扫描获取高精度DEM及DOM

结合无人机和地面三维激光扫描获取高精度DEM及DOM摘要：无人机航摄技术能够获取得到平面精度较高的DOM，但DEM高程精度较差，无法满足高精度制图的要求，而采用地面三维激光扫描技术能够获取高精度的DEM数据，但其受视场角的限制，容易出现盲区和漏洞，且其制作DOM的难度大，效果不好。本文提出结合这两种技术的各自优点来制作高精度DEM及DOM，通过对某山区的实验，结果表明采用这两种技术能够快速的获取局部高精度的DEM和DOM。关键词：无人机航摄，地面三维激光扫描，DEM，DOM，精度评定CombinationofUAVandTerrestrial3DLaserScanningforHighResolutionDEMandDOM(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCO.Ltd,Chengdu610031,China)Abstract:UAVaerialtechnologyabletogettheplanepositionwithhighprecisionDOM,butaccesstotheDEMelevationaccuracyispoor,unabletomeettherequirementsofhigh-precisionmappingand3DterrestriallaserscanningtechnologytoobtainhighaccuracyDEMdata,butsubjecttotherestrictionsintheangleoffield,Pronetoblindspotsandvulnerabilities，andproducedDOMisdifficultandineffective.Inthispaper,therespectiveadvantagesofthesetwotechnologiestoproducehighresolutionDEMandDOM,amountainofexperimentalresultsshowthattheuseofthesetwotechnologiescangetfastaccesstothelocalhigh-precisionDEMandDOM.Keyword:UnmannedAirvehicleaerialphotographic;TerrestrialLaserScanners;DEM;DOM;accuracyevaluation在获取局部地形数据方面，无人机和地面三维激光扫描技术都占有绝对的优势。无人机能够快速获取较高平面精度的DOM数据，但其获取得到的DEM高程精度较差[1]。而地面三维激光能够有效的获取高精度的DEM数据，但受视场角的限制，容易出现盲区和漏洞；且在制作地形的DOM方面应用少，相关方面研究主要是利用地面三维激光扫描技术来来制作建筑物等立面的正射影像[2]。为了能够获取得到高精度的DEM和DOM数据，本文率先采用了无人机和地面三维激光扫描技术对四川某地进行实验，对于地面三维激光扫描出现漏洞的数据，可以采用无人机获取DEM经过高程改正后进行补充，同时在在制作正射影像时采用地面三维激光扫描获取的DEM进行纠正，来获取高精度DOM。2.地面三维激光获取高精度DEM本次实验采用VZ4000地面三维激光扫描仪进行扫描，实验环境中最远测量距离为4000米，在实际自然目标最远距离在2700米左右。该设备有三种发射脉冲，分别为50千赫兹，100千赫兹，以及200千赫兹。地面三维激光扫描数据获取过程一般为，现场查看，扫描站点的确定，标靶布设，数据扫描，数据处理几个步骤。2.1选站的原则为了利用地面三维激光扫描仪获得地形数据，应该采用如下的测站选址原则：1、确保在各扫描位置获得的数据能够覆盖完整的扫描区域；2、在得到完整数据的前提下，应尽量选择较少的扫描站数，以减少搬站次数；3、相邻测站之间必须至少布设4个控制点靶标，并保证这些靶标能在相邻两站扫描中可视；4、确保扫描区域能够扫描到所有控制点靶标。2.2标靶的布设为了能够将地面三维激光扫描数据的坐标转换到工程独立坐标中去，需要对扫描的区域布设标靶，并用无棱镜全站仪测出标靶的坐标。一般为了能够保证转换的精度，至少需要四个及以上的反射片标靶。且标靶的布设要均匀的分布在测区周围，另外这些标靶不能在同一条线或是同一个面上。2.3数据扫描在数据采集阶段，采样间距的设置十分重要，因为采样间隔太太，会影响后期的数据处理，数据存储。另外如果采样间隔太小，则会影响到扫描的精度。对于VZ4000三维激光扫描仪，对于VZ4000仪器来说，每站的扫描时间一般控制在6分钟左右较为合适。2.4数据处理对不同站点的扫描数据，首先要进行预处理，预处理主要包括去除噪点等。由于VZ4000的扫描距离根据脉冲频率的不同，其距离也不同，如脉冲频率为30KHZ时，测量自然物体的目标距离可以达到2700米左右，但是由于激光扫描角发散的原理，目标距离越远获取的精度就越低。首先需要对获取得到数据，根据扫描的距离进行滤波。方法可以采用VZ4000自带的软件Riscan中Rangegate方法进行，如图1所示。对各站的数据初处理后就可以根据标靶，进行不同站点之间数据的拼接。数据拼接的方法有两种，一种是相对拼接，另外一种是绝对拼接。为了能够控制每站坐标转换误差的一致，本次实验采用绝对拼接的方式进行。在RiScan软件中就可以采用如图2中的方法进行：图1按距离去除点云图2站点拼接图3各站拼接结果当各个站点的数据拼接完毕后，就可以进行滤波分类处理。图4为滤波后得到的DEM数据。图4滤波后得到的局部DEM数据2.5地面三维激光扫描数据漏洞的填补采用无人机的DEM对地面三维激光扫描数据盲区补充时，可以采用以下的方法进行改进。将地面三维激光扫描的数据的作为控制点，然后在无人机制作得到的DEM上进行内插，通过计算内插的高程和地面三维激光扫描仪的高程差，得到一系列坐标点的高程差值，然后利用这个高程差值对地面三维激光扫描出现漏洞的区域的无人机DEM进行高程值的改正。3.无人机获取DOM技术本次实验采用的无人机为YC-GY04型固定翼无人，相机为Canon5DMarkII。无人机航摄的主要步骤如下：3.1相控点的布设与测量本次实验像控点为航飞前布设好的石灰标志点和油漆点，呈十字型，规格为0.4*1.0米。像控点结合测区的地形进行布设，并采用四川省卫星定位连续运行基准服务平台(SCGNSS)进行联测，高程采用全省厘米级高精度似大地精化水准面（2.5′×2.5′）进行拟合。3.2航线的设计在对无人机进行航线设计时，要注意像片重叠度的设置，一般要求航向重叠度不能小于53%，旁向重叠度不能小于15%。同时在航线设计时一个航带内的最大航高于最小航高之差不能大于30米。3.2内业数据处理无人机的内业处理主要包括影像预处理、匹配、空三加密、正射纠正等。其中正射纠正时采用的DEM为地面三维激光扫描获取得到的DEM来对数码影像进行逐像元投影差改正，镶嵌来生成数字正射影像。图5为采用无人机技术得到DOM数据。图5处理后得到局部DOM数据4.实验结果及精度验证本次实验地点为四川省某地，该地地形复杂，垂直高差较大。通过对测区RTK实测的点云，在构建的DEM上进行内插得到内插的高程Z，最后和实测的高程进行对比，统计得到的DEM高程中误差为：0.21米，精度统计如表1所示。表1DEM高程精度统计表EastingNorthingKnownZLaserZDz643811.9033579824.323574.150574.622+0.472644186.5113579300.483560.485560.625+0.140644205.5953579285.058560.371560.493+0.122644223.3033579276.507559.872559.864-0.008644238.6593579263.199559.183559.135-0.048644241.2963579264.924559.071559.008-0.063644156.5693579320.721560.425560.355-0.070644208.6833579289.025560.769560.650-0.119644223.5053579279.547560.001559.862-0.139644270.2233579236.999557.893557.703-0.190644243.2273579257.924559.106558.686-0.420本次DOM平面精度的检查采用外业检查的方法，即通过量测测区内明显地物点，本次实验采用房屋的屋檐的角点，来和正射影像对应的地物点坐标进行对比发现误差控制在一个像素之内，而DOM影像分辨率大小为0.15m。图6红色点为RTK测量的屋檐角点5.小结地面三维激光扫描技术在获取局部高精度地形方面，具有效率高，成本低等特点。但是如果需要同时获取该局部地形的DOM数据，就显得无力。而无人机航摄技术在获取DOM上既有优势，但其DEM精度不高，无法满足高精度的工程要求。本文正是结合这两种技术的优势，来实现局部地形高精度的DEM和DOM的测量。通过对四川某山区的实地的测量实验，实验结果表明，采用该方法能够很好的获取高精度DEM和DOM数据。参考文献：[1]张丽丽,王小平,张瑛.基于无人机影像生产高精DEM的实践[J].测绘技术装备,2009,11（1:33-34[2]付红云,王晏民，胡春梅.一种新的基于地面激光雷达数据正射影像图制作方法[J].北京建筑工程学院学报,2011,27(4):16-21[3]王峰,陈焕然,程效军.基于地面激光扫描仪的建筑数字化方法[J].地理空间信息，2011,9(3):39-42[4]吴磊,金伟娜,燕樟林.无人机摄影测量在公路选线上的应用研究[J].大坝与安全，2012(2):35-42[5]施贵刚.地面三维激光扫描数据处理技术及作业方法的研究[D].同济大学博士论文,2009[6]金为铣,杨先宏,邵鸿潮,崔仁愉.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,1996.[7]晏磊,吕书强等.无人机航空遥感系统关键技术研究[J].武汉大学学报(工学版),2004，37(6)：67-70[8]史占军,于志忠,郭志强.无人机摄影测量在1:2000地形图的应用[J].吉林地质,2011,30(3)133-136[9]金为铣,杨先宏,邵鸿潮,等.摄影测量学[M].武汉测绘科技大学出版社,2001.[10]邱晓红,景华.无人机系统技术发展趋势[J].航空科学技术,2000（1）:28-30