激光雷达技术助力地灾调查、实景三维中国及土地整理等工作
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近日，中国共产党第二十次全国代表大会刚刚结束。习近平总书记在会上指出：提高公共安全治理水平，坚持安全第一、预防为主，完善公共安全体系，提高防灾减灾救灾和急难险重突发公共事件处置保障能力；提高生态系统多样性、稳定性、持续性，加快实施重要生态系统保护和修复重大工程，健全耕地休耕轮作制度；促进区域协调发展，优化重大生产力布局，构建优势互补、高质量发展的区域经济布局和国土空间体系。
这三点分别对应地灾监测及灾害应急处理、农耕生态保护和实景三维中国建设，再次说明了自然资源管理在我国当下战略布局中的重要地位。激光雷达技术能够穿透植被，获取更精准的地表信息，逐渐在自然资源管理工作中崭露头角，并被应用于文物保护、自动驾驶等多个领域。
激光雷达与GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量装置)等组合，其所测得的数据中含有空间三维信息和激光强度信息，在这些原始数字表面模型中移除建筑物、人造物、覆盖植物等测点，即可获得数字高程模型(D i g i t a l Elevation Model,DEM)，并同时得到地面覆盖物的高度。
机载激光雷达技术作为森林资源调查的重要补充手段，能快速获取大范围森林结构信息，如树木定位、树高计算、树冠体积估测等，同时还为森林生态研究、森林经营管理提供垂直结构分层、碳储量、枯枝落叶易燃物数量等参数提供估算信息。
四川测绘地理信息局测绘技术服务中心高级工程师刘飞
本期《中国测绘》特邀四川测绘地理信息局测绘技术服务中心高级工程师刘飞为我们介绍激光雷达技术是如何助力地灾调查、实景三维中国及土地整理等工作的。
聊起应用激光雷达技术的案例，刘飞第一个想到的就是地灾调查。“我们是国内较早将激光雷达技术应用于地灾调查的单位，有了成功案例后，我们又联合了多位高校专家老师一起系统地整理了激光雷达技术在地质灾害调查中的应用方式，以期在后续的地质灾害调查工作中继续完善。”
四川特殊的地理、地貌、地质构造条件，决定了它是地质灾害的高发区、易发区。近十年来，强震也一定程度上加剧了地质灾害风险隐患，防灾形势严峻。长期以来，通过地质灾害调查、隐患排查、监测、治理、群测群防等一系列防灾减灾措施，有效减少了地质灾害损失。但是，重大地质灾害隐蔽性和突发性较强，社会危害损失大，一直是地质灾害防治的难点。
过去的地质灾害调查、隐患排查以人工野外调查为主，因此山高坡陡、落差巨大的悬崖峭壁，植被郁闭度高等人迹罕至的地区是地质灾害调查、排查的盲区，往往一些重大地质灾害（高位远程灾害）就隐伏在这些地区难以被发现，阻碍了地质灾害调查工作的开展。
传统立测方法生产的DEM
激光雷达技术获取的DEM
为了解决这一问题，刘飞与同事们提出了创新技术手段，利用“天空地”一体化对地观测技术对重大灾害隐患进行早期识别”的对策，即坚持“人技结合”方式，在传统人工地面排查技术基础上，借鉴美国、欧洲、日本以及我国台湾地区的先进经验开展地质灾害调查，充分利用卫星遥感、无人机遥测、合成孔径雷达、三维激光扫描等新技术新方法开展识别排查。
“激光雷达技术的主要优势就是能够‘穿透’部分植物。”刘飞说。地质灾害调查共分为三个层面，分别是普查、详查和核查。激光雷达技术的主要应用方向是详查，通过点云数据获取地表的潜在信息，形成地质灾害隐患排查全覆盖，掌握动态变化，实时预警，及早提出防范预案，最大限度地提高重大地质灾害防灾能力和水平。
植被滤除前
滤除植被后
无人机光学航测技术并不能穿过植被拍到地表，无法获取精确的地表数据，所以并不适合对有大片植被遮挡的地区进行调查。而激光雷达技术能够“穿透”植被，获取真实地表信息，构建精细化地形地貌三维模型，实现对裂缝、堆积体形态、滑坡边界等地质灾害信息的早期识别，达到对发现的地质灾害进行针对性防治的目的。除了能够覆盖更多人员不能涉足的地区，这种调查方式的另一个优点就是操作简单，降低了对工作人员的技术要求。
“在地质灾害调查中，激光雷达的优势主要是非接触式的作业方法，而在农耕生态保护中，激光雷达还有另一个优势，那就是足够高的精度。”刘飞补充道。
2022年出台的《四川省土地整理项目管理办法》第十四条明确提出，在项目入库时须“提交优于0.2米高分正射遥感影像和激光点云成果数据等”。这一规定推进了LiDAR新型测绘技术在自然资源管理，尤其是耕地保护中的应用。
土地整理规划设计传统数据存在土地工程量评估不精准、新增耕地判定不精确、DOM影像不能直观了解边坡坎等三维信息问题。山地占四川省总面积的70%以上，高山峡谷、高植被覆盖的山地环境给耕地保护造成极大困难。近年来，运用测绘高新技术手段遏制耕地“非农化”、管控“非粮化”，守好耕地保护红线，保障“藏粮于地，藏粮于技”战略实施，四川省进行了不懈探索和努力。
据了解，在土地整理前期的规划阶段，国土整治相关业务部门在利用无人机遥感技术获取的遥感影像上提取耕地陡坎等信息，用于新增耕地的调查与规划设计，也采用倾斜三维建模技术对土地整理项目区进行三维建模，从三维地图上查看工程项目区域的真实情况。但是由于四川复杂的地形地貌环境和茂密的植被，无人机遥感技术在偏远山区获取的地形精度无法满足设计要求，无论是正射影像还是三维倾斜建模数据，均存在植被覆盖下耕地田坎等无法精准识别、土地整理工程量评估不精准、新增耕地判定不精确等问题。
“激光雷达测量技术可以穿透植被，获取植被底下真地表形态数据，还可以用于大比例尺地形图测制和土地整理质量评价等工作，能否采用机载激光雷达技术进行数据获取，解决现有问题呢？”在一次技术讨论会上，四川测绘地理信息局测绘技术服务中心提出这样的设想。经过现场资料比对，国土整治有关负责同志眼前一亮，当即决定进行试点尝试。
为了验证该技术的可行性，他们先后确定了达州、宜宾、广元等5个试验地，涵盖了高山地、丘陵、平原等多种地形条件，开展了机载LiDAR技术在土地整治规划设计阶段的应用验证，数据成果与之前的无人机航空影像数据形成了鲜明的对比，以往无法识别的田坎，在激光雷达图上清晰可见，可进一步对植被底下的田坎精细化识别、测量，解决了以往新增耕地田坎底数不清、不规范的问题。
无人机正射影像机载
LiDAR数字高程模型
机载LiDAR田坎影像
机载LiDAR土地平整度影像
该项技术还可实现高精度大比例尺地形图测制，相比传统测图模式，效率提高了近10倍，精度提高了近5倍。激光点云数据的价值，贯穿到了从新增耕地潜力挖掘到用地规划用图制作，再到后期土地整理质量评价等全生命周期。
“除了覆盖面广、数据精度高，激光雷达的另外两个优势就是适用场景更多、能够捕捉到更多细节，这两点在实景三维中国建设中得到了很好的体现。”刘飞说道。
2022年2月，自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》（以下简称《通知》），明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工等。实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，是国家重要的新型基础设施，可以通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通，为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础，已经纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。
实景三维中国建设的难点并不在第一次全面构建城市模型，而是在后期持续的维护。以往的测量装备往往对天气有着比较严苛的要求，如遇到恶劣天气或黑夜环境，很难继续进行当天的数据记录工作。而激光雷达对设备使用场景的要求相对较低，可以进行夜间作业，能够实现对城市模型进行实时更新。
除此之外，激光雷达技术能够记录下房屋的转角、屋檐等“死角”的立面信息，能为更高精度的地理实体采集提供更丰富的信息。“使用传统的立面测量方法得到的立面数据可能会存在拉花或者变形的情况。以倾斜摄影技术为例，虽然倾斜摄影建模的速度更快，但无法照顾到更多细节，而激光雷达技术的测量原理是实打实的一束束激光记录上去的，所以我们一般会选择使用激光雷达技术对一些容易出现问题的‘刁钻’区域再进行激光三维建模，两者搭配就可以达到最好的使用效果。”
同时，激光雷达模型的可视化也为实景三维中国建设带来了许多便利，可以实现对城市道路交通设施可视化管理、城市绿化信息全过程跟踪、城市公安应急指挥决策、城市地下管线等可视化管理，以及城市危房信息实时监控等提取所需的实景化的业务专题数据，更好地满足管理与决策上的高层次应用。
“实景三维中国建设意义重大，随着国内激光技术的进步，激光雷达技术将会有更加广阔的应用前景。”刘飞介绍说，“我们作为技术提供方，会快速积累项目经验，提高技术人员综合能力，全力支撑自然资源管理工作，也共同期待着激光雷达技术为世界带来更大的变革。”
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