車載激光掃描測量技術(shù)在數(shù)字高程模型成果高程精度檢測中的應(yīng)用分析

翟永聰 鐘少忠

（廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東 廣州 510075）

0.引言

現(xiàn)代城鄉(xiāng)經(jīng)濟發(fā)展及基礎(chǔ)建設(shè)日新月異，基礎(chǔ)測繪項目生產(chǎn)及其更新任務(wù)繁重，新興測繪方式層出不窮，測繪技術(shù)的提高使得基礎(chǔ)測繪項目生產(chǎn)及其更新速度加快，同時也必然對成果質(zhì)量檢驗效率與質(zhì)量保障提出更高的要求，傳統(tǒng)的以全站儀測量和GNSS-RTK 測量為主要手段的質(zhì)量檢測勞動強度大和作業(yè)效率低難以滿足質(zhì)檢信息數(shù)據(jù)快速獲取的需求。測繪質(zhì)檢機構(gòu)將加快調(diào)整質(zhì)檢工作思路，與時俱進，研究自動化的、智能化的測繪質(zhì)檢手段。而車載激光掃描測量技術(shù)是測繪領(lǐng)域前沿技術(shù)之一，它實現(xiàn)了在高速移動中的快速測量，直接獲取目標地物空間坐標和紋理等地理信息數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)處理自動化程度高、機動性高、數(shù)據(jù)結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)要素齊全、精度高的特點，適用于對各類測繪地理信息數(shù)據(jù)成果進行高效、快捷的質(zhì)量檢驗服務(wù)。

本文通過介紹了車載激光掃描測量系統(tǒng)技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)，并結(jié)合外業(yè)GNSS-RTK 采集數(shù)據(jù)驗證其高程絕對精度的可靠性和穩(wěn)定性，分析驗證點云數(shù)據(jù)應(yīng)用于高程精度檢測的可行性和有效性。研究結(jié)果表明：通過車載激光掃描測量技術(shù)方法檢測與傳統(tǒng)外業(yè)GNSS-RTK 檢測方法在同一數(shù)字高程模型成果中高程精度的比對與分析，檢測結(jié)果并無明顯差異，但采用車載激光掃描測量系統(tǒng)的技術(shù)檢測方式優(yōu)勢更加明顯，基于車載激光雷達掃描技術(shù)方法可滿足省級基礎(chǔ)測繪大比例尺數(shù)字高程模型的質(zhì)量檢驗。

1.點云數(shù)據(jù)高程精度驗證方案

1.1 驗證方案概述

為了驗證車載激光掃描測量技術(shù)在質(zhì)檢中的可行性和有效性（如圖1 所示），首先對車載激光雷達掃描系統(tǒng)點云成果數(shù)據(jù)進行精度評定及評估，是否滿足檢測相關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求進行驗證，然后結(jié)合廣東省數(shù)字高程模型更新項目驗收的檢驗過程，對DEM 高程精度檢驗結(jié)果進行精度分析及評估，最后以質(zhì)量驗證后可行的點云數(shù)據(jù)應(yīng)用在廣東省數(shù)字高程模型更新項目成果檢測，以此來驗證車載激光掃描測量高程精度檢測方式的可行性和有效性比較分析兩種方式的結(jié)果差異。

圖1 點云數(shù)據(jù)精度驗證流程圖

1.2 樣本檢驗選取

為了更好綜合評定大范圍、不同條件情況下車載激光掃描測量系統(tǒng)點云成果精度的可靠性與穩(wěn)定性，選取了廣東省數(shù)字高程模型更新項目某個批次數(shù)據(jù)作為試驗區(qū)；抽取了其中一個批次的15 個樣本，每個樣本覆蓋面積約為30km2，總面積約為450km2作為檢驗區(qū)域，檢驗覆蓋區(qū)域面積達6000km2，涉及多種不同地類地形，有山地、平地、城市、城郊結(jié)合部及鄉(xiāng)村，樣本均勻分布體現(xiàn)不同地形地貌。抽取的樣本與廣東省數(shù)字高程模型更新項目抽樣部分樣本一致。

本文根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》的規(guī)定，采用高精度檢測方式進行高程精度中誤差統(tǒng)計計算，中誤差按以下公式計算：

式中，M 為成果中誤差；n 為檢測點（邊）個數(shù)；Δi 為較差。

2.點云數(shù)據(jù)高程精度驗證

2.1 點云數(shù)據(jù)獲取

首先對基準站GNSS 和車載GNSS 流動站開機進行初始化，使其能夠持續(xù)穩(wěn)定地向激光掃描儀和IMU 提供時間歷元。與此同時，開啟IMU 使其有充足的時間完成對設(shè)備的校準。GNSS 和IMU 耗時10min 的靜態(tài)初始化。當系統(tǒng)初始化工作完成后，激光掃描儀掃描平面與地面呈40°夾角，最大范圍采集到路面及路邊地物，作業(yè)過程中車載平臺處于勻速低速行駛狀態(tài)，時速為30km/h 左右，保證點云數(shù)據(jù)的均勻分布和必要密度，防止點云數(shù)據(jù)行距過大。車載激光掃描測量數(shù)據(jù)采集在樣本的范圍內(nèi)按照提前設(shè)計好的路線進行采集，采集過程中道路中間有遮擋較嚴重的需要往返掃，以減少系統(tǒng)誤差對點云數(shù)據(jù)精度的影響，同時為后期點云解算后組合檢校參數(shù)求取提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、差分GNSS（DGNSS）計算、組合導(dǎo)航（DGNSS、IMU 與DMI）聯(lián)合解算、激光掃描儀原始數(shù)據(jù)解碼等。車載移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的多樣性，不同的數(shù)據(jù)源原始存儲格式并不能完全被計算軟件識別，將其格式進行轉(zhuǎn)化才能有效識別；利用IE 組合導(dǎo)航解算軟件在外業(yè)輔助提供基準站記錄數(shù)據(jù)、儀器高等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行差分GNSS（DGNSS）計算；組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算整個數(shù)據(jù)解算過程是在IE 軟件下完成，最終解算得到的航跡文件，記錄了包括基準站大地坐標數(shù)據(jù)、GNSS 時間數(shù)據(jù)、高斯3°帶下的東、北、高坐標，以及IMU 的航向角、俯仰角、翻滾角等數(shù)據(jù)；激光掃描儀原始數(shù)據(jù)解碼是將激光掃描得到的原始數(shù)據(jù)中得到的角度信息、距離測量信息依據(jù)激光掃描儀工作原理，進行函數(shù)變化，得到掃描儀系統(tǒng)局部坐標系下極坐標的一個過程。整個數(shù)據(jù)解碼過程通過激光掃描系統(tǒng)自帶軟件處理完成，包含激光點坐標、激光強度、UTC 時間等多重信息。

2.3 點云數(shù)據(jù)提取

數(shù)據(jù)采集完成后經(jīng)過內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理、點云數(shù)據(jù)融合及影像數(shù)據(jù)解算、點云解算、點云數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)化得到所需點云數(shù)據(jù)，最后要對檢查驗證精度的情況，利用全站儀及GNSS-RTK 實測的同名特征點進行精度檢查，對檢測點進行自動或半自動提取等步驟，得到最終的檢測點成果數(shù)據(jù)用于對測繪成果的數(shù)學精度檢驗等，三維點云空間數(shù)據(jù)（如圖2所示）。通過自動或人工交互的方法在車載地面移動測量系統(tǒng)采集的點云數(shù)據(jù)分別提取不同距離上的指定地物特征點，通過GNSS-RTK 實測同名特征點，比較點云量測值與實測值中誤差，驗證車載激光點云數(shù)據(jù)成果的絕對精度和相對精度，以衡量車載地面移動測量系統(tǒng)采集的點云數(shù)據(jù)應(yīng)用于測繪質(zhì)量檢驗工作的有效性。

利用點云編輯軟件進行特征點的選取和采集，對多種地物進行自動提取，主要有一級模型提取和二級模型提取，實現(xiàn)了分層分類和實體化，并且有幾何屬性，便于后期分析，如地物的長寬尺寸、面積、反射強度及三維空間坐標等信息，基于提取后的成果矢量可以根據(jù)自己需求進行編輯，最終生成按需提取的質(zhì)檢數(shù)據(jù)，局部特征點提?。ㄈ鐖D3 所示）：

圖2 點云數(shù)據(jù)

圖3 特征點提取

2.4 點云數(shù)據(jù)精度檢測分析及應(yīng)用評估

為了更好對車載激光點云數(shù)據(jù)的絕對精度驗證，根據(jù)外業(yè)GNSS-RTK 或全站儀實測的野外數(shù)據(jù)展點在點云軟件上的樣本圖上，通過對實測點的點位的具體描述信息，準確有效地選擇檢測的點云目標點，要利用點云編輯軟件進行特征點的選取和采集。

抽取的樣本為分布廣東某市15 塊掃描區(qū)，其中每塊測區(qū)覆蓋面積約為30km2，利用GNSS-RTK 對每塊樣本區(qū)采集約30 個左右高程特征點，對車載移動測量系統(tǒng)采集到的點云數(shù)據(jù)同名點進行數(shù)學精度評價。經(jīng)過統(tǒng)計計算（如表1 所示），15 塊樣本區(qū)域點云高程精度檢測中誤差均小于15cm。

內(nèi)業(yè)采集比測點云數(shù)據(jù)共計377 個，樣本檢測平均高程中誤差為0.079m，如按《城市測量規(guī)范》中對1∶500 地形圖高程精度限差要求，以15cm 作為中誤差限差（如表2 所示）。根據(jù)點云數(shù)據(jù)高程中誤差統(tǒng)計分布情況，可以看出成果高程精度是遠優(yōu)于有關(guān)國家標準規(guī)范的要求，也遠滿足CH/T9008.2-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字高程模型》的高程中誤差精度要求。因此獲取的點云成果可以用于檢測大比例尺精度數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)測繪成果，為進一步研究應(yīng)用于檢測廣東省數(shù)字高程模型更新項目成果提供了質(zhì)量保證。

表1 成果中誤差檢測表 單位：m

表2 高程誤差分布情況表

3.數(shù)字高程模型成果高程精度驗收分析

隨著時代的發(fā)展，建立高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋的省級數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫，成為國土測繪、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、交通建設(shè)、電力建設(shè)、水利建設(shè)等各領(lǐng)域的迫切需求。

3.1 DEM數(shù)據(jù)成果概況

本文數(shù)據(jù)為驗收項目“廣東省數(shù)字高程模型更新項目”，項目生產(chǎn)時間為2018 年6 月至2019 年8 月，項目任務(wù)范圍位于廣東省中西部，完成1476 幅1∶2000 的5km×5km 分幅，約3.47×104km2。項目主要利用LiDAR 數(shù)據(jù)處理軟件，對航飛執(zhí)行單位獲取的點云數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)DEM 更新生產(chǎn)，最終生產(chǎn)出符合項目設(shè)計要求的數(shù)字高程模型更新成果數(shù)據(jù)，成果精度指標要求平地達到0.5m，山地1.5m。

3.2 DEM數(shù)據(jù)成果檢驗及高程精度檢測

首先對數(shù)字高程模型成果開展質(zhì)量檢查，根據(jù)CH/T 1026-2012《數(shù)字高程模型質(zhì)量檢驗技術(shù)規(guī)程》外業(yè)檢驗采用GNSS 接收機檢驗數(shù)字高程模型的位置精度；內(nèi)業(yè)檢驗審查項目的文字資料包括專業(yè)技術(shù)設(shè)計書、專業(yè)技術(shù)總結(jié)、數(shù)字測繪成果檢查報告、過程檢查記錄等，采用人機交互的方式檢查DEM 成果的空間參考系、位置精度、邏輯一致性、柵格質(zhì)量等。

外業(yè)檢驗根據(jù)GB/T 18316-2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》要求抽取其1 批次作為樣本試驗范圍，車載激光掃描的區(qū)域也與其一致，以30km2作為一個塊圖單位，共15塊面積約450km2的1∶2000 的數(shù)字高程模型成果，以GNSSRTK 實測值在每塊樣本成果中均勻采集20-30 個高程檢測點，與數(shù)字高程模型成果的同名點進行精度比對。

3.3 DEM成果高程精度評價

外業(yè)檢測高程點均勻分布共計386 個，該成果數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（如表3 所示），從上述的DEM 成果精度指標平地為0.5m，山地為1.5m 為要求，其中地形以平地和山地類型平均各占半，樣本檢測中誤差均小于標準中誤差，平地平均中誤差為0.12m，山地平均中誤差0.104m（如表4 所示），由誤差分布情況可以看出：成果高程精度遠優(yōu)于技術(shù)設(shè)計的0.5m要求，為后面用車載激光掃描系統(tǒng)技術(shù)方式檢測與本項目成果研究及精度分析做好鋪墊。

表3 成果中誤差檢測表 單位：m

表4 高程誤差分布情況表

4. 點云數(shù)據(jù)在DEM 成果檢測中高程精度研究分析

根據(jù)上述所得可知：本次研究的車載激光掃描測量系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)成果經(jīng)過檢驗后高程精度是能夠達到或優(yōu)于高精度大比例尺DEM 成果高程精度的技術(shù)要求，而DEM成果也是經(jīng)過驗收后的成果，下面介紹點云數(shù)據(jù)成果應(yīng)用于檢測DEM 成果中的研究。

4.1 點云數(shù)據(jù)與DEM成果高程精度比對分析

前面介紹的用GNSS-RTK 外業(yè)檢測車載激光掃描測量技術(shù)獲取的點云成果共計377 個，樣本檢測平均中誤差為0.079m；驗收DEM 項目中內(nèi)業(yè)檢測數(shù)據(jù)高程點共計386 個，平地平均中誤差為0.12m，山地平均中誤差為0.104m。車載激光掃描測量技術(shù)生產(chǎn)的點云均勻隨機抽取特征點與經(jīng)過驗收的數(shù)字高程模型項目研究高程分析。DEM 成果精度要求采用廣東省數(shù)字高程模型更新項目的0.5m 技術(shù)要求，該成果數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（如表5 所示）：

內(nèi)業(yè)檢測點云數(shù)據(jù)均勻點共計285 個，其中粗差點有3個，經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)核查發(fā)現(xiàn)實地已經(jīng)發(fā)生變化了，樣本檢測中誤差均小于標準中誤差，高程平均中誤差為0.50m（如表6所示）檢測中誤差為0.122m，由誤差分布情況可以看出：成果高程精度遠優(yōu)于技術(shù)設(shè)計要求，最后可以證實點云數(shù)據(jù)檢測DEM 項目與GNSS 外業(yè)檢測得出最后精度情況，結(jié)論比對無明顯異常和異樣。

表5 成果中誤差檢測表 單位：m

表6 高程誤差分布情況表

4.2 車載激光點云與RNSS-RTK兩種方式的比對分析

經(jīng)過研究分析同樣的外業(yè)比較方法與DEM 更新項目對比，驗證過的點云數(shù)據(jù)隨機均勻提取的數(shù)據(jù)再與相同GNSSRTK 驗證過的DEM 樣本區(qū)塊研究分析，檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用以上兩種方法檢測結(jié)果基本一致（如圖4 所示）?；谲囕d激光雷達掃描技術(shù)方式，經(jīng)自動或人工提取后，點云數(shù)據(jù)成果技術(shù)方法完全能滿足現(xiàn)階段質(zhì)檢省級基礎(chǔ)測繪中的高精度大比例DEM 產(chǎn)品高程精度的質(zhì)量技術(shù)要求。

如果5km×5km 每個圖幅內(nèi)檢測特征點按采用常規(guī)GNSS-RTK 的方式，檢測20-50 個均勻分布的特征點工作量大約需要2 個人為一組/天，但隨著檢測點數(shù)增加所需的時間相應(yīng)增加；而車載測量系統(tǒng)無間斷一天可掃描面積約30km2，每幅圖的人工處理1h，計算機處理6h，提取所有特征點具有可擴展性及重復(fù)利用，掃描樣本越大越多優(yōu)勢越明顯，這樣部分外業(yè)檢驗工作可以轉(zhuǎn)移到室內(nèi)工作，改善了工作環(huán)境、降低了工作強度及提高了安全系數(shù)；大大減少了質(zhì)量檢驗周期，提高質(zhì)檢工作效率，減輕外業(yè)工作時間和人力成本，符合目前對地理信息成果現(xiàn)勢性極高的需求。還可以在事前、事中獲取的檢驗數(shù)據(jù)應(yīng)用于過程成果質(zhì)量篩查，避免因測繪成果質(zhì)量存在重大缺陷而導(dǎo)致的整個項目整改重造，進而保證了成果質(zhì)量，保障項目成果按質(zhì)交付，增強了測繪地理信息成果應(yīng)用的現(xiàn)勢性。

圖4 兩種檢測方式比對結(jié)果

5.結(jié)束語

本文介紹了車載激光掃描測量系統(tǒng)的構(gòu)成及原理，重點分析了車載激光掃描測量系統(tǒng)技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)處理及其驗證高程精度質(zhì)量情況；結(jié)合數(shù)字高程模型驗收項目的應(yīng)用方面檢驗流程及高程精度分析；最后通過驗證的點云數(shù)據(jù)應(yīng)用在檢測其DEM 項目中高程精度比對分析，探究了利用車載激光掃描測量點云數(shù)據(jù)在數(shù)字高程模型成果等測繪成果中的質(zhì)檢的可行性和有效性。研究結(jié)果表明：基于車載激光雷達點云數(shù)據(jù)的制作技術(shù)路線可行、數(shù)學精度高，檢驗結(jié)果證明成果精度能符合檢驗高精度大比例尺數(shù)字高程模型成果高程精度的質(zhì)量要求，在測繪質(zhì)檢相關(guān)領(lǐng)域有巨大的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用前景。能為質(zhì)檢等有關(guān)部門在傳統(tǒng)測繪成果建設(shè)、省級基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)等重大項目測繪成果等方面可以作為質(zhì)量檢驗技術(shù)服務(wù)。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)仍有一些問題需要解決，為進一步地研究目標與方案指明了方向。例如，如何整體提高點云最終成果精度，GNSS 衛(wèi)星信號覆蓋弱的區(qū)域，精度如何得到更好提高改正以及整個操作過程較為復(fù)雜對作業(yè)員的整體素質(zhì)要求較高等問題；從點云利用方面考慮，針對目前的點云成果在質(zhì)檢本身的需求如何更好地分級與分類利用，更好服務(wù)質(zhì)檢工作；點云成果的目標地物自動分類及影像目標紋理地提取正確率及成功率，為了進一步地研究目標與方案，以最終目標達到質(zhì)檢高效自動化。