基于機載LIDAR點云數據的數字高程模型精度分析

李 佳 　 方 愛

(杭州市勘測設計研究院,浙江 杭州　310012)

數字高程模型(DEM)是對地球表面地形起伏的一種離散的數字表達，是地理信息系統的核心數據庫及地學分析的基礎數據，是目前最重要的地球信息三維基礎產品，在經濟、國防和科技上具有廣泛的不可替代的作用[1]。獲取DEM的常見數據源有航空航天影像及地形圖數據等[1]，而機載激光雷達測量技術的出現為獲取DEM提供了新的途徑。機載激光雷達測量技術是一種先進的集成測量技術，具有很好的發展前景[2]，它可以直接獲取測區三維坐標點云數據，具有速度快、精度高的優勢，已成為目前DEM數據生產的最重要的數據源之一。DEM數據質量的優劣直接影響到地理信息系統各種分析結果的準確性和正確性，進而影響到地理信息系統和測繪信息工程的成敗[3]。DEM數據質量及其精度成為DEM數據生產者和使用者普遍關心的問題。本文針對以LIDAR點云數據為數據源而生產制作的DEM，提出了DEM數據精度分析方法，并分區域采集離散點，對分析結果進行驗證。

1　DEM生產方法及誤差來源

1.1　DEM生產方法

DEM生產制作方法依賴于采用的數據源，以機載LIDAR點云數據為數據源生產DEM一般包括了點云數據分類、孤立點剔除、TIN構建、格網插值等步驟。對LIDAR航攝成果進行預處理，轉換成CGCS2000高斯平面坐標系，然后進行粗分類，再結合基礎地形圖和影像數據，采用手動交互方式進行詳細分類，按分類要求放置層、色。對點云分類成果按1∶500分幅標準進行裁切，并進行格式轉換，存為DGN格式點云數據，根據似大地水準面精化成果將CGCS2000橢球高轉換為水準高程。在地理信息系統軟件中，將DGN格式的點云數據轉為ArcGIS格式，并根據分類的屬性，提取地面點，作為數字高程模型制作的數據源。利用地理信息軟件工具，如ArcToolBox，生成TIN，然后根據設計確定的格網間距生成DEM。

1.2　誤差來源分析

DEM來源于LIDAR點云數據，而且在點云數據的基礎上進行了高程系統的轉換。DEM生成的過程中，根據格網間距，在不規則點云的基礎上，進行了插值。所以DEM的高程誤差來源于三個方面：點云數據本身的高程(大地高)誤差；高程系統轉換的誤差，即似大地水準面精化誤差；以及插值對DEM高程精度的影響。

2　LIDAR點云高程精度分析

2.1　點云高程的理論精度分析

LIDAR點云數據為大地高高程系統，DEM成果為正常高系統，DEM格網點的高程精度表征了DEM成果的高程精度。

表1　LIDAR點云數據大地高高程精度

設平地某點高程為HE，大地高為HN，內插的高程異常為ζ，則：

HE=HN-ζ。

由表1可知，以平地區域為例，大地高的中誤差為±10.0 cm。似大地水準面精化的精度為±1.0 cm，按照中誤差傳播率，可得高程中誤差：

那么點云數據轉換為正常高高程后，其理論精度為±10.05 cm。

2.2　點云高程的實際精度

為了獲知實際高程中誤差，從分布在不同區域的地形圖上選擇了40個道路上的高程點，并比較了水準高程值和通過似大地水準面精化成果計算的高程值，如表2所示。

表2　水準高程與GPS擬合高程較差計算

則點云數據正常高高程的精度為±11.2 cm。

3　DEM高程精度估算

DEM格網點高程是由點云點高程內插而得，如圖1所示。

如圖1所示，顯然最弱點位于P1和P2的中間，則PE點高程內插計算如下：

根據中誤差傳播率，可計算出PE的中誤差：

則DEM(格網點)高程精度為±13.7 cm。

4　結語

以LIDAR激光點云分類數據為基礎，充分利用1∶500基礎地形圖數據，內插地形特征點和特征線，構建不規則三角形網(TIN)，

制作高精度數字高程模型。本文對DEM高程精度進行分析和估算，為DEM數據的生產者和使用者提供了重要的參考。但是本文采用的精度分析方法還存在一定的局限性，可能對分析結果會有一定的影響。一是在區域選擇上，還應該選擇一些丘陵和山區點參與分析；二是檢驗點的高程是從地形圖上量取，可以采用實測進一步提高精度。這些方面都是以后工作的方向。