李凤廷

（青海省第三地质勘查院）

摘要：机载LiDAR具有快速高效、精度高的特点，解决了重力勘探近区地形改正工作量大、效率低的难题。笔者从机载LiDAR得到的点云数据精度及重力勘探近区地形改正结果两方面综合评价了应用效果，表明机载LiDAR得到的点云数据能够完全满足大比例尺重力勘查的技术要求，值得在青藏高原重力勘探近区地形改正中推广应用。

关键词：机载LiDAR；重力勘探；近区地形改正；青海沙丘

地形改正是重力勘探工作中重要的一项改正工作，其中近区（重力测点周围0-20m）地形起伏变化，对测点重力观测值的影响最大，要想得到高精度的重力数据，近区地形改正的精度在整个地形改正中占有重要的比例。目前近区地形改正主要采用RTK、森林罗盘仪和激光测距仪来完成，其中RTK和森林罗盘仪的精度较高，但费时、经济成本高，仅有激光测距仪精度、经济成本比较适中。数据产品及1:1万的数字地形数据仅能满足1:5万重力调查近区地形改正的精度要求。

机载LiDAR系统能全天候高精度、高密集度、快速和低成本地获取地面三维数字数据，已在电力、公路建设、道路勘查、环境调查等多个领域中广泛的应用。大比例尺重力勘查工作的近区地形改正在工作效率和精度上取得双重进展，无人机航测的应用是必然的趋势。

01项目概况

沙丘位于青海省的西部，青藏高原的东北部，隶属于柴达木盆地的西南缘干旱荒漠化草原区域,，地表均为风成砂覆盖，覆盖厚度200-300m，起伏不大但常年变化，为移动沙丘。地表无任何植被覆盖（图1）。位于东经92°46′30″-92°55′32″，北纬36°52′59″-36°55′33″，面积为72km²。

在沙丘开展1:2.5万重力勘查工作，为了加快项目进度，提高近区地形改正的精度，通过调研和比较，LiDAR能满足1:5000沙丘2000修改器，1:2000甚至更大比例尺的精度要求。最终项目使用深圳飞马机器人科技有限公司的飞马D2000智能航测系统，取得了良好的应用效果。

图1沙丘地区卫星影像图

02DEM数据的获得及精度评价

2.1仪器设备

本次工作采用的D-激光雷达模块适配于飞马机器人公司生产的D2000无人机系统，采用TOF测距模式，回波数为三回波，测距精度±2cm，标称精度5cm@50，高差定位精度3cm，航向角精度0.03°。

2.2外业数据采集

外业飞行作业获得的点云数据是基于测区已有控制点，架设GPS静态基站，求算坐标转换七参数，把成果数据转换到项目所需的目标坐标系。选好合适起飞点后，按照预定航线飞行，与普通航测不一样的是由于原理是激光回波，并不局限于光照强度等因素影响，即阴天或晚上也可以作业，有利也有弊，这也使得大面积水面或地物表面覆盖太多水迹会影响成果，避开雨天就好。

2.3数据处理

外业得到的数据主要用到飞马无人机管家中的智理图、智激光、智点云模块和IE( )来进行处理（图2），内业处理流程主要包括数据预处理、数据后处理、成果输出。

图2 数据处理流程图

2.3.1预处理处理

（1）轨迹解算

在IE里将外业获取到的基站数据和机载数据进行紧耦合差分轨迹解算，解算完成后进行预计位置和姿态的精度检查。当位置精度值小于0.02，姿态精度值小于3时满足精度。

（2）点云解算

在无人机管家的智激光模块中，用上一步解算好的轨迹文件和下载的激光数据进行点云解算。

解算后且精度满足后，则进行坐标转换，这里根据项目需求，使用我们外业采集的检查点进行求七参，使用七参进行转换。转换完成后则进行检查点云位置是否正确，是否有悬浮点。

2.3.2点云后处理

经过去噪、地面点分类（提取结果只显示两类，一类为地面点，一类为非地面点）、地面点过滤、构建三角网。最终得到点云数据，作为机载LiDAR系统测量的最终成果。

2.3.3成果输出

手动分类完成后，就可以进行类别提取、高程提取、DEM以及等高线等成果输出，下图为点云截图。

图3点云数据成果图

2.4精度检查与评价

通过外业实测与机载LiDAR航测的成果进行精度比对，从工作区抽取165个测点，大致均匀分布于工作区，再利用处理软件对点云数据进行了精度检查，高程差分布情况图4所示，最小值-0.434m，最大值0.416m，平均值-0.009m，高程中误差：0.149m。高程差主要分布于-0.234m~0.166m，总个数为154个，占质检总数的93.3%。个别点的差值较大，分析其主要原因是沙漠地形随气候（主要是大风）发生变化，实测点的时间与航测的时间间隔越大时，个别区域的沙丘发生了较大的移动，从而导致个别点差值就很大。

图4精度检查高程差分布直方图

03重力近区地形改正值的计算

3.1DEM数据处理

机载LiDAR得到的是点云数据，数据量巨大沙丘2000修改器，对计算机的要求等都提出了很高的要求，其次是不能直接进行近区地形改正的计算，为了提高计算速度而又不失精度的方法，于是将点云数据导出成1m×1m的网格（.grd）数据，以便后期进行地形改正的计算。

3.2近区地形改正值的计算

3.1.1 近区地形改正方法

重力地形改正值的计算采用“共用点法”也称平移高程法（该方法用于中-远区地形改正），方域范围改正。即将实际地形分割成四棱柱体（本次为1m×1m），每个网格节点代表其中一个（图5），四棱柱体的高度为网格节点的值，计算每一个四棱柱体在测点的地形影响值，再将所有四棱柱体对测点的地形影响值相加，即为该重力测点的近区地形改正值。图中所示的abcd方柱对A点的地形校正值为：

则全部地形校正值为：

化简得到：

式中rij为测点A到节点（ξ，η）的距离，hij为该方柱高程与A点高程之差，cij为数值积分时用的节点系数。

图5 方域地形改正示意图

3.1.2近区地形改正值计算

基于软件平台，依据（3）式计算公式，编写了近区地形改正计算程序。将得到的网格数据（.grd）和测点的三维坐标读入到计算程序中，再进行计算，导出计算结果（近区地形改正值）。

3.3近区地形改精度的评价

工作区内的3799个测点，采用无人机激光雷达航测的DEM数据全部进行了改正。与RTK测量模式实测的地形改正值对比。实测近区地形改正值与航飞DEM计算的地形改正值最大差值为0.0315×10-5m/s²，最小差值为-0.0296×10-5m/s²；平均值仅为-0.0052×10-5m/s²，均方误差为±0.0067×10-5m/s²，优于文献18中II级地形等级的近区地形改正的精度（±0.012×10-5m/s²）要求。

04结论

（1）机载LiDAR工作效率高、成本低、精度高。适合在青藏高原植被稀少，地形起伏大的地区进行工作。

（2）在沙漠地形中，机载LiDAR系统的测量成果不论是从高程的中误差还是计算得到的近区地形改正值，均能满足大比例尺重力勘探的技术要求。克服了RTK在复杂地形条件下受地形遮挡，没有信号或信号不强不能进行地形改正测量的难题。

(3)机载LiDAR系统的测量成果在重力勘查近区地形改正中的应用，不仅提高了重力勘查近区地形改正的工作效率，而且还提高了近区地形改正的精度。在今后的重力勘查近区地形改正中有着广泛的应用前景。

END