目前工程测量及航空摄影立体测图是制作大比例尺数字线划图(digital line graphic，DLG)的主要方法。其中，工程测量精度高，但具有人工工作量大、周期长、且作业面域不宜过大、山区作业难度高、需要清除测量障碍物等弊端；而对于大面积测图领域广泛应用航空摄影测量立体测图，但像片控制测量是必不可少的工作^[1]，且山地及植被覆盖地区作业难度高，成果精度误差较大，此外需要摄影测量工作站及专业软件等软硬件环境支持，对作业人员技术水平要求较高^[2-3]。机载LiDAR(airborne light detection and ranging)及携带的数码相机在航测时能够同步获取高精度、高密度的点云数据，以及高空间分辨率的航片、POS(positioning and orientation system)信息等数据，便于后期数据处理，能快速制作高精度的数字高程模型(digital elevation model，DEM)及数字正射影像(document object model，DOM)测绘成果，用于数字线划图测图^[4-5]。目前相对成型成熟的商用数据处理软件不多，利用点云结合航片进行数字线划图测图的技术工艺尚不成熟^[6]。

为有效解决目前DLG测图中机载LiDAR航测数据难以充分利用的问题，本文研究了单片测图的方法模型^[7-8]，利用点云、航片、基站与惯导等数据成果，进行自动空三加密，形成可规模化生产的技术解决方案，并结合实践进行推广。

1 数据特征

机载LiDAR航测获取的点云数据具有高精度、高密度、离散、多回波等特征，不受光学条件影响，能够穿透茂密的植被层直接到达地面，数据具有层次结构，信息丰富，能够识别细小目标，数据量较小，便于自动化处理成DEM及三维建模^[9]。数码航片则具备厘米级高空间分辨率、三波段光谱信息、能够辅助地物解译与分类；POS和基站数据能够解算出高精度的位置姿态信息，用于航片的空三加密及DOM数据制作。利用点云数据提供的高精度高程信息，结合数码航片及POS数据能够制作DEM和DOM测绘成果，为单片测图提供数据支撑^[10-11]。

2 方法流程介绍

利用高精度点云、高分辨率数码航片、POS数据、地面基站数据、数码相机相关参数文件，解算得到数码航片的外定向元素，再通过自动空三加密和区域网平差算法构建基于激光点云及航拍影像组合的DLG单片测图模型^[12]。

1) 建立点云与数码航片的空间对应关系。构建点云与航片的空间对应关系，实现地物要素物空间与像空间之间的坐标系换算。基于摄影测量共线方程，结合航片外定向元素，航片像空间与物空间的对应关系转换公式如下：

$ \left\{ \begin{array}{l} x = - f\frac{{{a_1}\left( {X - {X_s}} \right) + {b_1}\left( {Y - {Y_s}} \right) + {c_1}\left( {Z - {Z_s}} \right)}}{{{a_3}\left( {X - {X_s}} \right) + {b_3}\left( {Y - {Y_s}} \right) + {c_3}\left( {Z - {Z_s}} \right)}}\\ y = - f\frac{{{a_2}\left( {X - {X_s}} \right) + {b_2}\left( {Y - {Y_s}} \right) + {c_2}\left( {Z - {Z_s}} \right)}}{{{a_3}\left( {X - {X_s}} \right) + {b_3}\left( {Y - {Y_s}} \right) + {c_3}\left( {Z - {Z_s}} \right)}} \end{array} \right. $

(1)

2) 计算摄影射线与点云模型的交集，确定特征点物方空间Z值。摄影射线可以通过数码航片摄影中心点S(Xs，Ys，Zs)与特征点的像空间坐标(U，V，W)来确定，如图 1所示。其中摄影中心S即摄影射线的起点，摄影中心点到特征点的连线是射线方向，通过摄影测量共线方程可知，物方特征点肯定在此摄影射线上。

3) 地物高度量测。应用激光雷达的点云数据，可以方便快捷地测量设计线路走廊内植被的高度、房屋的高度等，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程。图 2为点云中不同地物的空间量测。

激光点云数据提供地形和地物的三维坐标信息，由于地物自身高度以及地形起伏因素影响，激光点云数据具有离散非均匀分布的特征，经过平差与拟合处理后生成的点云地面模型则三维点要素可以均匀分布，并能够真实反映地表空间位置信息和地形特征。在此基础上，特征点的物方空间坐标就可以由地面模型与摄影射线的交点来确定，从而得到特征点物方空间Z值。

4) 利用摄影中心、像点坐标、像片内外定向元素、特征点物方空间坐标Z值确定对应特征点物方空间坐标。依据共线方程原理，利用特征点像平面坐标(X，Y)和物方坐标Z值，计算物方坐标值(X，Y)，实现特征点像空间坐标到物方空间坐标的转换。其中，物点坐标(X，Y)值的精度决定了特征点Z值精度，而点云密度及精度则直接影响物点坐标Z值的精度。在机载LiDAR航测作业过程中，根据数据成果精度要求与测区实际情况，通过设计合理的相对航高与扫描密度等措施则能够确保Z值精度。解算公式如下：

$ \left\{ \begin{array}{l} X = \frac{{\left( {{a_1}x + {a_2}y - {a_3}f} \right)}}{{\left( {{c_1}x + {c_2}y - {c_3}f} \right)}}\left( {Z - {Z_s}} \right) + {X_s}\\ Y = \frac{{\left( {{b_1}x + {b_2}y - {b_3}f} \right)}}{{\left( {{c_1}x + {c_2}y - {c_3}f} \right)}}\left( {Z - {Z_s}} \right) + {Y_s} \end{array} \right. $

(2)

5) 计算摄影射线与点云模型的交集，确定特征点物方空间Z值。利用国际上较为成熟的商用激光点云平台软件MicroStation V8及TerraSolid进行单片测图环境的二次开发，实现点云、航片序列数据和相机文件进行集中管理，结合POS数据配准点云与航片，恢复航片姿态信息，重建透视投影模型，使点云和航片处于相同投影坐标系下，如图 3所示。

6) 研发地物要素采集与管理模块。地物要素的采集目前还主要以人工或半自动矢量化采集为主，为实现矢量要素及注记等的高效采集，在单片测图环境下研发集成地物要素采集工具与管理模块，依据地理要素编码国家标准，规范管理地物要素，提高内业工作效率。

3 方法应用实例

选定某市部分区域的数据作为实验区对本方法的适用性进行验证，选取平地、丘陵、山地、高山等不同地形特征分别作为地形实验样本，选取不同地表要素如道路、房屋、草地、林地、广场等进行采集实验，验证本方法的测图精度，详见表 1和图 4。

4 结束语

本文提出了一套利用机载LiDAR点云数据与数码航片组合的单片测图方法，获取数字线划图的解决方案。在航测中仅需架设基站，避免了繁杂的像片控制测量工作，摆脱了摄影测量立体测图软硬件环境及作业人员高素质要求的依赖，显著提高了测图的作业效率，大幅度降低了工程测量和航空摄影测量立体测图的人力、物力及时间成本投入，能够满足勘察测量、规划管理、应急监测等行业领域对数字线划图测图的应用需求，具有良好的适用性，对工程实践有指导和借鉴意义。