機(jī)載LIDAR在測(cè)量中的高程精度驗(yàn)證及誤差來源

韓江 王曉玲 寧長春 許愛華 大慶油田設(shè)計(jì)院 塔里木油田分公司

機(jī)載LIDAR在測(cè)量中的高程精度驗(yàn)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(jì)院 2塔里木油田分公司

機(jī)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(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。通過廣東測(cè)區(qū)和新疆測(cè)區(qū)激光點(diǎn)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(diǎn)云高程精度主要受測(cè)區(qū)條件的影響，在平地上點(diǎn)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(cè)繪規(guī)范對(duì)高程精度的要求。為提高基于LIDAR點(diǎn)云產(chǎn)生的DEM精度，就需要在特定區(qū)域適當(dāng)增加點(diǎn)云密度，并且提高點(diǎn)云分類精度。

機(jī)載LIDAR；GPS測(cè)量；RTK；高程精度；誤差

機(jī)載LIDAR（Light Detection and Ranging）系統(tǒng)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)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(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元（IMU）/DGPS差分定位技術(shù)和數(shù)碼相機(jī)于一體，在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面實(shí)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(dòng)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(diǎn)。機(jī)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(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。

由于機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)具有高程精度更高的特點(diǎn)，本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，對(duì)應(yīng)用機(jī)載LIDAR技術(shù)生產(chǎn)的DEM高程精度進(jìn)行論述。

1 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)高程精度驗(yàn)證

1.1 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)設(shè)備

本文涉及的項(xiàng)目使用的機(jī)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(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目的航攝主要參數(shù)

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

表2 廣東某測(cè)區(qū)和新疆某測(cè)區(qū)的航攝主要參數(shù)

1.3 高程精度

（1）廣東項(xiàng)目高程精度檢查采用外業(yè)RTK實(shí)測(cè)的方法，共檢查高程點(diǎn)100個(gè)，粗差率為0，中誤差為±0.23 m。

（2）新疆項(xiàng)目同樣采用外業(yè)GPS—RTK實(shí)測(cè)的方法，依據(jù)成圖區(qū)域內(nèi)的首級(jí)GPS控制點(diǎn)，針對(duì)抽檢的53幅圖實(shí)地測(cè)量其坐標(biāo)和高程。內(nèi)業(yè)將實(shí)測(cè)點(diǎn)展繪到DEM上進(jìn)行平面位置和高程比對(duì)，從而得到高程的較差。依據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收（GB/T24356—2009）》進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，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(gè)項(xiàng)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(shí)際上新疆測(cè)區(qū)的高程精度好于廣東測(cè)區(qū)。對(duì)這種情況進(jìn)行如下分析。

2.1 激光腳點(diǎn)平面精度對(duì)DEM高程精度的影響

如圖1所示，激光點(diǎn)云腳點(diǎn)的真實(shí)位置為（Xo，Yo，Zo），而由LIDAR系統(tǒng)測(cè)出的位置為（X，Y，Z），這兩者本身就存在一個(gè)誤差Ez=ZZo；當(dāng)在地面起伏較大或者有一定的坡度時(shí)，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(diǎn)平面精度對(duì)高程精度的影響更大，使得廣東測(cè)區(qū)DEM的高程精度較低。

2.2 點(diǎn)云分類精度對(duì)DEM高程精度的影響

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

圖1 激光腳點(diǎn)位置誤差示意圖

2.3 激光點(diǎn)云的特點(diǎn)對(duì)DEM高程精度的影響

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)掃描獲取的點(diǎn)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(cè)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(diǎn)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(cè)區(qū)和新疆測(cè)區(qū)激光點(diǎn)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(diǎn)云高程精度主要受測(cè)區(qū)條件的影響，在平地上點(diǎn)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(cè)繪規(guī)范對(duì)高程精度的要求。點(diǎn)云精度主要受到定位誤差的影響，同時(shí)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(shí)際生產(chǎn)中，為提高基于LIDAR點(diǎn)云生產(chǎn)的DEM精度，就需要在特定區(qū)域適當(dāng)增加點(diǎn)云密度，并且提高點(diǎn)云分類精度。

[1]張小紅．機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)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(jī)載雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)應(yīng)用與高程檢測(cè)[J]．廣東公路勘察設(shè)計(jì)，2010（1）：41-42.

[3]張?jiān)贫耍撠S年．?dāng)?shù)字高程模型DEM精度研究[J]．測(cè)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(cè)量與遙感專業(yè)，現(xiàn)在大慶油田設(shè)計(jì)院勘察工程部工作。