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无人机影像和机载激光雷达技术在南方线状工程带状地形图中的应用

发布时间:2022-02-28 10:52所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:将通过控制点精度检验和碎部控制点精度检验分析,基于无人机影像数据和无人机激光雷达技术制作的1∶500大比例尺地形图精度,结果显示,无论控制点还是碎部点,其平面位置精度完全满足1∶500比例尺地形图的要求;其高程精度方面,控制点和平地碎部点的高程精度也满

  摘要:将通过控制点精度检验和碎部控制点精度检验分析,基于无人机影像数据和无人机激光雷达技术制作的1∶500大比例尺地形图精度,结果显示,无论控制点还是碎部点,其平面位置精度完全满足1∶500比例尺地形图的要求;其高程精度方面,控制点和平地碎部点的高程精度也满足1∶500比例尺地形图的要求,高山地区的碎部控制点精度基本满足1∶500比例尺地形图的要求。

  关键词:带状地形图;激光雷达;航空摄影测量;无人机;线状工程

无人机论文

  0 引言

  带状地形图测绘是线状工程建设的基础性工作,是工程建设每个环节开展工作的前提,贯穿于线状工程建设的勘察、设计、施工和运营全过程[1]。但是由于南方线状工程建设,往往位于地形复杂且植被密集地区,传统的航空摄影测量、GPSRTK以及全站仪等传统测绘地形图的方法生产周期长、工作量大、效率低,往往不能满足南方线状工程建设精度、效率和周期的要求。因此,迫切地需要新的技术手段来提高道路建设的精度和效率。近些年,无人机摄影测量和无人机激光雷达可以快速、高效、短周期地获取数字地面模型(DTM),是目前道路带状地形图测绘的主要手段[2]。

  测绘工程评职知识: 测绘学报论文属于什么等级

  袁林山和黄建学探讨了基于无人机航摄系统制作1∶1000比例尺地形图的精度,结果显示平面精度可以满足要求,但是在山区和高山区能否满足还需要进一步试验分析[3];吕立雷等采用无人机摄影测量系统绘制了长距离输油(气)管道带状地形图,结果表明,无论平面和高程精度,都可以满足1∶2000比例尺地形图的要求[4];赵新华和陈富强采用机载激光雷达绘制了海西天然气网的1∶2000带状地形图,经设站检查,其地物点平面中误差0.96m,高程中误差为0.39m,都小于限差要求[5];喻雄采用机载激光雷达数据绘制某高速公路的大比例尺地形图,发现高程精度大于4m以上的点位于树丛和立体阴影中[6]。

  然而之前的研究多局限于LiDAR生成1∶2000或者1∶1000比例尺的带状地形图,对于能否应用于1∶500比例尺地形图还没有讨论。本文以南方某线状工程用地勘测定界工程为例,分析基于无人机影像数据和无人机激光雷达技术制作的1∶500比例尺带状地形图精度,讨论以下问题:1)基于控制点的无人机航测和无人机激光雷达生成1∶500地形图的精度检验;2)基于碎部点的无人机航测生成1∶500地形图平面精度检验;3)基于碎部点的无人机激光雷达生成1∶500地形图高程精度检验。

  1 材料与方法

  1.1 研究区概况

  本线状工程位于我国南方某省,线路全长162.368km,多数位于丘陵山区,植被覆盖比较密集。由于线状工程的精度要求比较高,因此需要绘制1∶500比例尺的带状地形图,测量范围需各向测区边线两边外扩约30m并要测绘完整的跨测区边线房屋、鱼塘等。

  1.2 研究区带状地形图的测量研究区线状工程的1∶500地形图使用了无人机机载激光雷达系统以及无人机航空摄影测量系统相结合的方式,在一个月内完成了测量工作,并提供了DOM、DEM、DLG等多种数据成果。无人机机载激光雷达系统以及无人机航空摄影测量系统综合了高精度动态差分技术、惯性导航技术、无人机技术和计算机技术的集成性系统。

  1.3 成果精度评价方法

  空间位置精度是衡量测绘地理信息成果质量的核心要素之一,在整个测量的误差理论体系中,衡量成果的空间位置精度的指标有很多种,相对误差、极限误差和中误差等都能作为成果精度评价的指标。其中最为常用的是中误差,本次实验将采用中误差对成果地形图的精度进行评定。

  2 结果与分析

  本次精度检查与分析中,通过对比不同地形地貌下地形图的空间位置精度,分析地形图成图精度受实际地形地貌的影响。

  2.1 控制点精度检查与分析

  控制点的精度检查主要是利用GPS-RTK的测量方法获取的23个控制点对研究区的带状地形图进行精度检验。

  对23个控制点的精度进行误差分析。控制点高程中误差M为0.035m,小于高程允许中误差0.05m,残差小于1倍中误差限差的点数占比82.61%,残差大于等于1倍中误差小于2倍中误差的点数占比17.39%,残差大于等于2倍中误差。控制点点位中误差M为0.029m,小于点位允许中误差0.05m,残差小于1倍中误差限差的点占比86.96%,残差大于等于1倍中误差小于2倍中误差的点占比13.04%,残差大于等于2倍中误差。经检验,控制测量精度合格,即后续对于碎部点平面位置精度和高程精度评定是以控制点精度评定合格为基础。

  2.2 碎部点平面精度检查与分析

  本线状工程的带状地形图的地物特征点是直接在数字正射影像图上进行平面量测。地物特征点中,房角点的平面位置足够稳定,数量较多,实地检测的难度也相对较小。因此,本文利用房角点来检验本文线状工程的带状地形图的平面精度。本文采用GPS-RTK技术以及全站仪外业测量共采集189个房角点作为平面精度检查点,计算得中误差为0.14m,小于中误差限差0.15m,残差的最大允许误差为2倍中误差0.3m,点位残差最大值为0.33m,残差小于1倍中误差限差的点数占比92.1%,残差大于等于1倍中误差小于2倍中误差的点数占比7.4%,残差大于等于2倍中误差即大于限差的点数占比为0.5%,总体精度评定为合格。

  2.3 碎部点高程精度检查与分析

  碎部点高程精度检验分为平地和山地两种地形下的碎部点高程精度检验,进一步分析基于激光雷达数据研制的数字高程模型质量以及其高程精度所受地形地貌的影响。平地碎部点高程精度检验测取平地的高程检查点793个,计算得中误差为0.129m,小于0.167m中误差限差。残差限差2倍中误差为0.33m,高程残差最大值为0.727m,小于限差的点数占比为91.93%。

  山地碎部点高程精度检验测取山地的高程检查点42个,计算得中误差为0.347m,略高于0.333m中误差限差。残差限差为2倍中误差0.66m,高程残差最大值为1.757m,小于限差的点数占比为78.57%。碎部点高程精度统计误差见表4,山地区域的高程误差略高于平地。此外,本文研究还发现碎部点高程残差较小的区域,植被覆盖率较低;碎部点高程残差较大的区域,植被覆盖率较高。主要原因是山区的植被一般会比平原茂密,激光扫描反映地表地形点的数量,山地通常要比平地少,构建高程模型的精度也会偏低。

  3 结束语

  本文通过精度分析,验证了无人机摄影测量和无人机激光雷达相结合,基本可以满足1∶500比例尺线性工程带状地形图测绘的要求,提高了带状地形图测绘的工作效率和自动化程度,为线性工程的顺利实施提供了基础保证,对于今后类似工程的测量工作具有借鉴作用。此外,要提高激光雷达数据构建数字高程模型的精度,除了获取更高精度的点云数据之外,还可以根据实际生产需求提高点云获取密度。另外,在进行地面点云分类以及数字高程模型制作时,也可以通过同步影像数据,在一些点云数据较少但地表起伏较大的区域,如陡坎、悬崖等区域,添加高程特征线,以提高模拟地表的准确性。

  参考文献:

  [1] 李有明,徐朦,张晓强,等.山区高速公路工程施工中勘察相关问题探究[J].工程勘察,2019,47(12):24-29.

  [2] COLOMINAI,MOLINAP.Unmannedaerialsystemsforphoto⁃grammetryandremotesensing:Areview[J].ISPRSJPHOTO⁃GRAMM,2014,92(6):79-97.

  [3] 袁林山,黄建学.基于无人机航摄系统的1∶1000DLG航测成图精度分析———以江苏射阳县日月岛为例[J].测绘通报,2017(S1):182-184.

  [4] 吕立蕾,张卫兵,胡树林,等.低空无人机航摄系统在长距离输油(气)管道1∶2000带状地形图测绘中的应用研究[J].测绘通报,2013(4):42-45,55.

  [5] 赵新华,陈富强.机载LiDAR技术在高难度大比例尺数字测图中的优势[J].科技信息,2012(8):430-431.

  作者:皮鹤1,唐世豪2

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