機載激光雷達數據獲取質量檢查與評定方法探討

許耿然,朱紫陽

(廣東省國土資源測繪院,廣東廣州 510500)

機載激光雷達數據獲取質量檢查與評定方法探討

許耿然?,朱紫陽

(廣東省國土資源測繪院,廣東廣州 510500)

為對機載激光雷達數據獲取成果的生產質量進行有效控制，合理評價機載激光雷達數據獲取成果的質量，針對目前該成果的質量評價缺乏相應標準的現狀，在國家現有規范的基礎上，采用錯漏扣分法，設計了一套比較完整的扣分標準，探討了該成果的質量檢查與評定方法；并通過某項目應用實例，驗證了該方法的合理性、有效性，為機載激光雷達數據獲取的成果質量檢查與評定提供參考。

機載激光雷達；質量元素；質量評定

1 引 言

機載激光雷達(Light Detection and Ranging,簡稱LiDAR)是集激光測距、CCD航攝相機、POS定位定向系統于一體,為高度集成的新型測量系統,作為精確、快速的地球表面三維測量方法已獲得廣泛認同及應用,取得大量的研究成果[1～2],已形成若干相應技術標準[3～4]。當前研究成果主要是針對數據獲取、生產以及過程質量控制[5～7],但是對其質量檢查與評定方面的研究相對較少,國內還沒有形成一套有效的質量檢查和質量評定體系。目前有關測繪成果的質量檢查與評定有兩個規范,即《測繪成果質量檢查與驗收》(GB/ T 24356-2009)和《數字測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 18316-2008),前者涉及航空攝影影像數據獲取成果的質量評定,后者為4D數字測繪成果的檢查驗收標準,但都未涉及LiDAR數據獲取成果的質量檢查與評定。如何對LiDAR數據獲取成果進行質量檢查和質量評定,是目前業內所關注的問題。本文結合實際生產中LiDAR數據獲取成果的質量檢查工作實踐,探討其質量檢查與評定方法。

2 質量元素及權重

按照國家標準,航空攝影各種成果的質量元素為飛行質量、影像質量、數據組織、附件質量4個方面[8]；另一方面,根據行業標準,LiDAR數據獲取成果的質量控制內容包含數據文件、POS數據、地面GPS基站數據、點云數據、影像數據5個方面[3]。為了合理評價LiDAR數據獲取成果的質量,根據機載激光雷達數據獲取的成果質量特性及技術流程,參考現行的《測繪成果質量檢查與驗收》及相關規范[3～4,9～10],在總結機載激光雷達數據獲取生產實踐的基礎上,以合理控制為出發點,著重考慮LiDAR數據獲取成果的質量要求,設計了該成果質量元素、檢查項、質量元素的權重及質量錯漏分類方法。

質量元素主要包括6個方面的內容:即飛行質量、影像質量、點云質量、POS質量、數據組織、附件質量。其中,除點云質量外,其他5種質量在《測繪成果質量檢查與驗收》中已有相近的檢查內容與標準,但部分需要進行改進。

(1)飛行質量包括的檢查項有:航攝設計(航高、航速、重疊度)及執行情況,航攝范圍覆蓋,像點最大位移值,激光參數設置(脈沖頻率、掃描頻率),設備初始化,IMU誤差控制等是否符合規定要求。

(2)影像質量包括的檢查項有:影像分辨率的正確性,影像色調是否均勻、反差是否適中,影像清晰度,影像外觀質量(噪聲、云塊、污點等)等是否符合規定要求。

(3)點云質量包括的檢查項有:點云密度,點云間距均勻度,點云精度,點云噪聲,航帶拼接等是否符合規定要求。

(4)POS質量包括的檢查項有:基站架設質量,基站與POS數據采集,POS數據解算基站使用的正確性,偏心分量使用的正確性,POS解算精度,檢校場布設等是否符合規定要求。

(5)數據組織包括的檢查項有:原始數據正確性,文件命名、數據組織和數據格式的正確性、規范性,存儲數據的介質和規格的正確性,數據內容的完整性等是否符合規定要求。

(6)附件質量包括的檢查項有:附件資料的完整性、正確性等是否符合規定要求。

LiDAR數據獲取成果的質量元素及權重設計如表1所示,各質量元素的錯漏分類設計如表2所示。

質量元素及權重 表1

質量錯漏分類表 表2

3 質量評定

3.1 扣分標準

在進行質量評定時,以航攝區或航攝分區為批成果,質量錯漏分為A、B、C、D四類,采用百分制錯漏扣分法進行質量評定。其中A類、B類、C類、D類錯漏扣分標準分別為42分/處、12分/處、4分/處、1分/處。

3.2 評分方法

若參照普通航空攝影直接以“片”為單位,或參照攝影測量與遙感直接以“幅”為單位進行成果質量評定,均不恰當；考慮到LiDAR數據獲取的特殊性,設計了以航攝區或航攝分區為批成果進行質量評定。當然,由于有時航攝區或航攝分區的范圍較大,存在單個航攝區或航攝分區內超過3個B類錯漏的情況,根據文獻[8],若概查中發現A類錯漏或3個B類錯漏,即被判定為不合格。而實際上,大范圍攝區存在3個B類錯漏是可以接受的,故可設計采用等效圖幅作為單位成果進行質量評定,等效圖幅的計算方法如下:

假定航攝區或航攝分區面積為P,計劃成圖比例尺的單幅圖面積為A,則航攝區或航攝分區的等效圖幅數:

將質量元素得分預置為100分,根據相應質量元素中出現的錯漏逐個扣分,得到質量元素得分值:

式中nBi、nCi、nDi分別為該質量元素對應的B類、C類、D類錯漏總數。

式中pi為相應質量元素的權重。

需要強調,按照上述計算成果質量元素得分值需滿足下述條件:成果中未出現A類錯漏；成果高程精度檢測、平面位置精度檢測及相對精度檢測,任一項粗差比例均不超過5%；質量元素質量得分不低于60分。為避免成果錯漏的集中效應,還需對航攝區或分區按計劃成圖圖廓建立格網,格網內任何質量元素的B類錯漏應少于3個。

4 應用實例

為檢核本文提出的質量檢查與評定方法的合理性和有效性,結合生產實踐,將本方法應用于廣東某地區的LiDAR數據獲取任務的質量檢查中。該攝區面積約1 700 km2,作業區范圍及航線設計如圖1所示,計劃成圖比例尺為1∶2 000的3D產品,采用運-5攜帶Trimble公司的Harrier68i系統對該區域進行機載激光雷達數據采集,主要技術參數如表3所示。

圖1 作業區范圍及航線設計

數據獲取主要技術參數 表3

由具有豐富檢查經驗的人員組成5個檢查組,先結合個人經驗,按照傳統方法,獨立對整個航攝成果進行質量檢查與評定；再按照本文設計的方法對成果進行全面質量檢查與評定。然后將上述5個檢查組的檢查結果與本文設計方法的檢查結果進行比對,比對結果見圖2。其中專A、專B、專C、專D、專E為5個檢查組按照傳統方法評定結果形成的曲線,“本文方法”為按照本文設計的方法對成果進行全面質量檢查與評定形成的曲線。從圖2可以看出,5個檢查組的結論曲線偏離不大,說明檢查組的結論趨于一致,可作為二者比對的依據；再看5個檢查組的結論曲線,與本文設計方法的結論曲線,基本上也是一致的,說明本文設計的評定方法是穩定可靠的。利用本質量評定方法所得出的結論,得到了下工序的驗證,也得到了業主的充分肯定,從另一個側面驗證了該方法的合理性和有效性。

圖2 質量評定曲線圖

5 結 語

信息化測繪時代對機載激光雷達數據獲取的需求越來越大,本文針對LiDAR數據獲取質量檢查與質量評定缺少相應標準的現狀,參考有關研究成果,根據現行的有關標準,結合工作實踐,制定了LiDAR數據獲取成果質量檢查與質量評定方法,并驗證了該評定方法的合理性、有效性,為LiDAR數據獲取的成果質量檢查與評定提供參考。

[1] 林明華.機載激光雷達點云數據處理理論與應用研究[D].武漢：武漢大學，2008.

[2] 張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社，2007.

[3] CH/T 8024-2011.機載激光雷達數據獲取技術規范[S].

[4] CH/T 8023-2011.機載激光雷達數據處理技術規范[S].

[5] 王師，周曉翠，陸小藝.淺析機載激光雷達測量誤差及數據質量控制[J].紅水河，2011，30(5)：156～159.

[6] 王師，周曉翠.機載激光雷達數據處理質量控制與解決方案探討[J].紅水河，2012，31(3)：91～95.

[7] 王國飛.機載激光雷達作業流程中的質量控制方法研究[D].青島：山東科技大學，2009.

[8] GB/T 24356-2009.測繪成果質量檢查與驗收[S].

[9] GB/T 27919-2011.IMU/GPS輔助航空攝影技術規范[S].

[10] GB/T 27920.1-2011.數字航空攝影規范第1部分：框幅式數字航空攝影[S].

A Quality Checking and Evaluation M ethod for Data Acquisition of Airborne LiDAR

Xu Gengran,Zhu Ziyang
(Institute of Lands and Resource Surveying and Mapping of Guangdong Province,Guangzhou 510500,China)

For the airborne LiDAR data to obtain results for effective control of production quality and reasonable evaluation of airborne LiDAR data quality of the results obtained,the results for the current lack of appropriate quality assessment criteria situation in the country on the basis of existing norms,mistakes deductionmethod used to design a setof relatively complete deduction standards,discusses the results of the quality of the inspection and evaluation methods. Through a project application example shows that themethod is reasonable,effective for the airborne Laser radar data acquisition and evaluation of the results of quality checks to provide a reference.

airborne LiDAR；quality element；quality evaluation

1672-8262(2013)06-85-04

P237

B

2013—07—02

許耿然(1968—),男,高級工程師,主要從事測繪生產技術管理工作。