機載LIDAR在測量中的高程精度驗證及誤差來源

韓江 王曉玲 寧長春 許愛華 大慶油田設(shè)計院 塔里木油田分公司

機載LIDAR在測量中的高程精度驗證及誤差來源

韓江1王曉玲2寧長春2許愛華21大慶油田設(shè)計院 2塔里木油田分公司

機載LIDAR數(shù)據(jù)可以生成高精度的DEM(數(shù)字高程模型)、等高線圖，還可以結(jié)合同步獲取的影像生產(chǎn)DLG，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。通過廣東測區(qū)和新疆測區(qū)激光點云高程精度檢核發(fā)現(xiàn)，在相同的航攝參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法下，點云高程精度主要受測區(qū)條件的影響，在平地上點云高程精度基本上與儀器的標(biāo)稱精度接近，在山區(qū)高程精度較低，但都滿足測繪規(guī)范對高程精度的要求。為提高基于LIDAR點云產(chǎn)生的DEM精度，就需要在特定區(qū)域適當(dāng)增加點云密度，并且提高點云分類精度。

機載LIDAR；GPS測量；RTK；高程精度；誤差

機載LIDAR（Light Detection and Ranging）系統(tǒng)是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，是20世紀(jì)90年代初投入商業(yè)應(yīng)用的一門新興技術(shù)。它集成激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元（IMU）/DGPS差分定位技術(shù)和數(shù)碼相機于一體，在三維空間信息的實時獲取方面實現(xiàn)了重大突破，為獲取高分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段[1]。它與其他遙感技術(shù)相比具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短和精度高等特點。機載LIDAR數(shù)據(jù)可以生成高精度的DEM（數(shù)字高程模型）、等高線圖，還可以結(jié)合同步獲取的影像生產(chǎn)DLG，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。

由于機載LIDAR數(shù)據(jù)具有高程精度更高的特點，本文結(jié)合實際生產(chǎn)項目，對應(yīng)用機載LIDAR技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程精度進行論述。

1 機載LIDAR系統(tǒng)高程精度驗證

1.1 機載LIDAR系統(tǒng)設(shè)備

本文涉及的項目使用的機載LIDAR是徠卡的ALS60系統(tǒng)。系統(tǒng)標(biāo)稱精度見表1。

表1 ALS60系統(tǒng)標(biāo)稱精度

1.2 實際生產(chǎn)項目的航攝主要參數(shù)

本文結(jié)合廣東某測區(qū)和新疆某測區(qū)的數(shù)據(jù)情況，對機載LIDAR技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程精度進行論述。廣東測區(qū)地形為丘陵、山地，植被茂密，新疆測區(qū)主要位于戈壁，地形平坦，植被稀疏。廣東某測區(qū)和新疆某測區(qū)的航攝主要參數(shù)見表2。

表2 廣東某測區(qū)和新疆某測區(qū)的航攝主要參數(shù)

1.3 高程精度

（1）廣東項目高程精度檢查采用外業(yè)RTK實測的方法，共檢查高程點100個，粗差率為0，中誤差為±0.23 m。

（2）新疆項目同樣采用外業(yè)GPS—RTK實測的方法，依據(jù)成圖區(qū)域內(nèi)的首級GPS控制點，針對抽檢的53幅圖實地測量其坐標(biāo)和高程。內(nèi)業(yè)將實測點展繪到DEM上進行平面位置和高程比對，從而得到高程的較差。依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收（GB/T24356—2009）》進行誤差統(tǒng)計，得出高程中誤差的平均值為±0.14 m，最大值為0.37 m。

2 誤差來源分析

兩個項目的航攝參數(shù)基本相同，理論上高程精度應(yīng)趨于一致，而實際上新疆測區(qū)的高程精度好于廣東測區(qū)。對這種情況進行如下分析。

2.1 激光腳點平面精度對DEM高程精度的影響

如圖1所示，激光點云腳點的真實位置為（Xo，Yo，Zo），而由LIDAR系統(tǒng)測出的位置為（X，Y，Z），這兩者本身就存在一個誤差Ez=ZZo；當(dāng)在地面起伏較大或者有一定的坡度時，由于平面定位誤差的存在，造成二類高程誤差Eδ。所以在山區(qū)激光腳點平面精度對高程精度的影響更大，使得廣東測區(qū)DEM的高程精度較低。

2.2 點云分類精度對DEM高程精度的影響

點云的分類精度對DEM高程精度也會造成較大影響，尤其是在植被茂密地區(qū)，由于激光腳點往往落在植被上，使得在地面上的激光腳點較少，不能很好地反映實際地形，從而造成DEM高程精度降低[2]。另外地物較多也會增加點云分類的難度，最終使得DEM高程精度降低。廣東測區(qū)植被茂密、地形復(fù)雜、地物較多，也是廣東測區(qū)DEM高程精度不及新疆測區(qū)的因素之一。

圖1 激光腳點位置誤差示意圖

2.3 激光點云的特點對DEM高程精度的影響

機載LIDAR系統(tǒng)掃描獲取的點云密度雖然非常高，但激光掃描具有相當(dāng)大的盲目性，不可能像常規(guī)測量中一樣，在陡坎邊緣等地形變化處采集數(shù)據(jù)[3]。因此，激光點云數(shù)據(jù)在地形特征處總是表現(xiàn)出一定的誤差。

3 結(jié)語

通過廣東測區(qū)和新疆測區(qū)激光點云高程精度檢核發(fā)現(xiàn)，在相同的航攝參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法下，點云高程精度主要受測區(qū)條件的影響，在平地上點云高程精度基本上與儀器的標(biāo)稱精度接近，在山區(qū)高程精度較低，但都滿足測繪規(guī)范對高程精度的要求。點云精度主要受到定位誤差的影響，同時也受到地形特征變化、地面反射物、后處理軟件分類和濾波誤差的影響。所以在實際生產(chǎn)中，為提高基于LIDAR點云生產(chǎn)的DEM精度，就需要在特定區(qū)域適當(dāng)增加點云密度，并且提高點云分類精度。

[1]張小紅．機載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[2]常君鋒，周琪．機載雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)應(yīng)用與高程檢測[J]．廣東公路勘察設(shè)計，2010（1）：41-42.

[3]張云端，祿豐年．?dāng)?shù)字高程模型DEM精度研究[J]．測繪與空間地理信息，2007，30（3）：120-123.

（0459）5902312、han_river@126.com

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.006

韓江：2005年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田設(shè)計院勘察工程部工作。