機載激光雷達的標準化進展分析

郭玉芳，陳 浩*，巨小文，任 福

（1.自然資源部測繪標準化研究所，陜西 西安 710054；2.自然資源部陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，陜西 西安 710054；3.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079）

激光雷達技術(shù)具有高精度、高自動化、高效率等顯著優(yōu)勢，同時點云數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息為LiDAR數(shù)據(jù)的使用提供了更多的可能性[1-6]，但是LiDAR點云數(shù)據(jù)處理的算法、相關(guān)軟件以及激光雷達產(chǎn)品的規(guī)范性等方面仍制約著LiDAR 技術(shù)大范圍的普及性應用[7-8]。我國在激光雷達技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和應用起步較晚，美國等發(fā)達國家在激光雷達領(lǐng)域的發(fā)展和應用研究已有近二十余年的成功經(jīng)驗，在LiDAR的標準化領(lǐng)域也制定發(fā)布了相關(guān)標準。本文在梳理美國激光雷達標準化背景和發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，以USGS 頒布的《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》最新版本為例，從LiDAR數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面分析了機載LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)指標，探討了美國激光雷達新技術(shù)標準化的特點與優(yōu)勢，對于我國測繪地理信息新技術(shù)標準的研發(fā)和制定具有一定的借鑒和參考價值。

1 LiDAR標準化的背景

2003 年美國攝影測量與遙感學會制定發(fā)布了《LAS 規(guī)范》（1.0 版本），該標準為用戶提供一種開放、通用的數(shù)據(jù)格式，極大地推動了LiDAR數(shù)據(jù)的共享和應用[9-10]。2009 年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）啟動了國家空間項目（National Geospatial Program，NGP），進行美國全境范圍的激光雷達數(shù)據(jù)獲取。NGP計劃管理的一個重要項目是美國三維高程計劃（3DEP）項目，其旨在獲取三維空間數(shù)據(jù)，目標是到2023 年底獲取全面覆蓋美國本土、夏威夷及其屬地的LiDAR 數(shù)據(jù)和覆蓋阿拉斯加地區(qū)的干涉合成孔徑雷達（InSAR）數(shù)據(jù)[11]。3DEP 項目LiDAR 數(shù)據(jù)采集與全國范圍的眾多數(shù)據(jù)生產(chǎn)商合作，出現(xiàn)了交付成果不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)集難以兼容、整體項目的分析處理異常困難等問題[12]，因而亟需制定一個基礎(chǔ)性的標準來規(guī)范美國全境激光雷達數(shù)據(jù)采集的最低技術(shù)指標和成果交付的統(tǒng)一格式和要求，以保障NGP整體數(shù)據(jù)的質(zhì)量和統(tǒng)一性。

LiDAR技術(shù)應用實踐的需求推動了LiDAR標準化的發(fā)展，USGS 于2012 年8 月正式發(fā)布了《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》（以下簡稱LBS 規(guī)范）1.0 版本，系統(tǒng)全面地規(guī)范了機載LiDAR從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度檢驗到成果交付的具體要求，為LiDAR技術(shù)的生產(chǎn)實踐和推廣應用提供了很好的指導作用。該標準第一個版本發(fā)布之后迅速被美國的許多州、縣以及行業(yè)企業(yè)和數(shù)據(jù)生產(chǎn)商所接受，一些國家還將該標準作為本國制定激光雷達規(guī)范的基礎(chǔ)，成為了國際地理信息領(lǐng)域影響頗為廣泛的一個LiDAR基礎(chǔ)性標準[13-14]。

2 LiDAR標準化的歷程

測繪新技術(shù)的標準化并不是一蹴而就的，通常需要隨著技術(shù)的發(fā)展和應用需求不斷發(fā)展完善。美國激光雷達的標準化是隨著LiDAR 技術(shù)在NGP 應用實踐，在近10 a 間不斷進行更新修改完善的過程。USGS 自2012年8月發(fā)布LBS規(guī)范1.0版本之后，隨后不斷進行了標準的更新和修訂，實現(xiàn)了對標準隨技術(shù)應用實踐和需求的同步動態(tài)更新，LBS規(guī)范最新版本是2021年6 月發(fā)布的，各版本的發(fā)布時間和主要變化內(nèi)容具體見表1。

表1 激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范的版本簡況

3 LiDAR關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的標準化分析

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是保障LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是關(guān)系LiDAR技術(shù)應用的重要環(huán)節(jié)，同時亦是標準化的重點和難點所在。LBS規(guī)范對機載LiDAR的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理進行了較為詳細的規(guī)定，以下以LBS 規(guī)范的最新版本2021 Rev.A 為例，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面對機載LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和技術(shù)指標進行具體分析。

3.1 數(shù)據(jù)采集

激光雷達的數(shù)據(jù)采集在很大程度上受項目區(qū)的環(huán)境及許多其他因素的影響。為了保障3DEP 項目全國范圍內(nèi)激光雷達采集數(shù)據(jù)的一致性，LBS 規(guī)范主要規(guī)定了必須滿足的最低采集要求，包括采集區(qū)域與天氣條件、質(zhì)量等級、采集標準等作了相關(guān)要求，具體內(nèi)容如下：

1）采集區(qū)域和天氣條件。LBS規(guī)范規(guī)定數(shù)據(jù)采集的區(qū)域應覆蓋感興趣區(qū)域并外擴100 m 的緩沖區(qū)域；天氣條件要求在無云霧且無雪的情況下進行，且地面尚未發(fā)生大面積洪水或其他類型的淹沒情況，植被覆蓋區(qū)應首選在無葉條件下進行數(shù)據(jù)采集。在植被有葉情況下的數(shù)據(jù)采集工作在簽發(fā)任務單或合同之前應得到USGS相關(guān)部門的批準。

2）質(zhì)量等級要求。LBS 規(guī)范將質(zhì)量等級（QL）分為4 級，規(guī)定從QL3 到QL0 數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越高，并對不同質(zhì)量水平級別做了相應的質(zhì)量要求[15]，規(guī)定最低可接受額度質(zhì)量水平為QL2 級別，同時USGS 鼓勵3DEP項目的數(shù)據(jù)商采集提供高質(zhì)量水平的數(shù)據(jù)。

3）額定點云間距要求：總體額定點云密度（aggregate nominal pulse density, ANPD）和總體額定點云間距（aggregate nominal pulse spacing，ANPS）是衡量激光雷達點云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的重要參數(shù)。ANPD 是指定區(qū)域內(nèi)單位面積點云的典型或平均密度，通常表示為每平方米的點云數(shù)；ANPS 是激光雷達數(shù)據(jù)集中點云之間的典型或平均橫向距離，通常以米為單位。LBS規(guī)范對不同等級下的ANPD和ANPS作了具體的要求，見表3。其中，在QL2等級下，ANPD應不低于每平方米2個點；ANPS應不大于0.71 m；另外LBS規(guī)范特別指出特定的項目要依據(jù)當?shù)鼐唧w的地形和土地覆蓋條件，可能數(shù)據(jù)采集時需要更高的點云密度。

3.2 數(shù)據(jù)處理

機載LiDAR點云數(shù)據(jù)具有海量、高冗余、點云密度不均、非結(jié)構(gòu)化等特點，點云數(shù)據(jù)的處理是當前研究的重點和熱點問題，也是LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。LBS 規(guī)范對點云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)性內(nèi)容如數(shù)據(jù)基準、精度檢驗、數(shù)據(jù)分類等方面的內(nèi)容進行了具體規(guī)定，主要技術(shù)要求如下：

1）數(shù)據(jù)基準。LBS規(guī)范對數(shù)據(jù)基準主要規(guī)定了點云的文件格式、時間基準、空間基準、坐標參考系等內(nèi)容。

2）精度檢驗。LBS規(guī)范規(guī)定在對點云數(shù)據(jù)進行分類和生成衍生產(chǎn)品之前，應對點云數(shù)據(jù)的絕對高程精度和相對高程精度進行檢驗，并提供檢驗過程的詳細報告。

相對高程精度指在沒有地面測量控制點的情況下，激光雷達數(shù)據(jù)集內(nèi)部的幾何質(zhì)量。單點的精度計算公式為：

式中，Range 為每個像素中最高和最低激光雷達點云數(shù)據(jù)之間的差異，單位為m；Slope為指該單元相對于其8 個相鄰單元的最大坡度，以小數(shù)表示，由每個單元的最低高程計算；Cellsize為指單元格的邊長，單位為米，用ANPS 表示，經(jīng)四舍五入后向上取整，然后再加倍；CEILING 是一個將ANPS 向上取整的函數(shù)；1.414為計算像素對角線尺寸時的系數(shù)[13]。

最終精度應以劃定樣本區(qū)域的面Shapefile文件形式進行報告。以每個柵格單元為樣本值，計算樣本區(qū)域Z 方向的均方根差（RMSDz）值是否超過規(guī)定采集QL等級的限制。QL2級別下，單幅內(nèi)精度和跨幅重疊一致性的RMSDz限值分別為≤0.06 m和≤0.08 m。

絕對高程精度、激光雷達數(shù)據(jù)及其衍生DEM的絕對高程精度應根據(jù)ASPRS（2014）進行評估和報告。劃分為植被和非植被土地覆蓋類型分別評估其絕對高程精度。評估應說明4 個絕對精度值：點云數(shù)據(jù)和DEM 各 自 的NVA （nonvegetated vertical accuracy，NVA）和VVA（vegetated vertical accuracy，VVA）。采用ASPRS 方法時，不同的質(zhì)量等級（QL）對數(shù)據(jù)的最低NVA 和VVA 要求不同，且需要同時滿足NVA 和VVA 的最低要求值。在QL2 質(zhì)量水平下，NVA 和VVA 在95%的置信度下的要求值分別為≤0.196 m 和≤0.30 m[13，15]。

3）數(shù)據(jù)分類。LBS規(guī)范規(guī)定了激光雷達數(shù)據(jù)必需的、最低的分類方案。在已分類的LAS 交付成果中，除非被標記為保留點外，任何點不允許分配為0 類。所有屬于最低分類方案且未被標記為保留點的點云都應進行正確分類，可以根據(jù)特別的要求或目標添加新的分類，但需要特別注意的是，為了保證分類的連續(xù)性，整個項目中點的分類要保持一致[13]。

4 LiDAR標準化現(xiàn)狀及特點分析

與歐美等發(fā)達國家相比，我國在激光雷達技術(shù)的發(fā)展和應用研究領(lǐng)域的起步較晚，LiDAR的標準化工作也相對滯后。原國家測繪地理信息局也曾頒布了少數(shù)激光雷達的相關(guān)行業(yè)標準，例如CH/T 8024-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》、CH/T 8023-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》等[14]。受限于我國標準化管理機制，這些標準在實踐中未能隨LiDAR技術(shù)發(fā)展應用的變化而及時更新，標準的適用性也非常有限。而在LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗和分級、LiDAR數(shù)據(jù)分類等關(guān)鍵技術(shù)方面，目前我國仍缺失相關(guān)的標準。

隨著我國實景三維建設(shè)的推進以及自動駕駛對高精度地圖市場需求的增長，LiDAR的標準化需求也愈加迫切。因此，筆者通過對近10 年USGS 發(fā)布的《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》7 個版本的跟蹤和分析研究，認為USGS 在LiDAR 新技術(shù)標準的制定、更新以及應用等方面具有顯著特點，其標準化的模式和思路對于我國研制測繪新技術(shù)標準具有很好的啟示作用，具體特點分析如下：

1）更新快速及時，靈活性好。從上文的分析可以看出，USGS 在2012 年8 月發(fā)布了LBS 規(guī)范1.0 版本，之后不斷更新修訂推出更高級版本，到2021年共發(fā)布了7個版本，且2020年之后版本的標識也發(fā)生了變化，版本標識按年和字母組合進行標識，意味著該標準的更新將更加及時快速，或?qū)崿F(xiàn)動態(tài)化更新。這既是LiDAR技術(shù)迅速發(fā)展和應用的需求，也是新技術(shù)標準自身不斷完善的需求。這種靈活、快速、動態(tài)化的更新模式對于我國測繪新技術(shù)標準的發(fā)展具有很好的借鑒意義。

2）適用性好，保持與現(xiàn)有相關(guān)標準的協(xié)調(diào)性。LBS 規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容保持了與現(xiàn)有標準的高度協(xié)調(diào)性，例如點云數(shù)據(jù)格式采用美國攝影測量與遙感學會（ASPRS） 發(fā) 布 的《LAS 規(guī) 范》 version 1.4-R15（ASPRS,2011）中所規(guī)定的點云數(shù)據(jù)記錄格式中較為通用的數(shù)據(jù)格式；成果的精度分級保持了與DEM相關(guān)標準的一致；交付成果的元數(shù)據(jù)保持了與美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(FGDC)發(fā)布的《數(shù)字空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容標準》（1998）的一致，同時還增加了反映LiDAR 特色的其他元數(shù)據(jù)內(nèi)容。該標準保持與現(xiàn)有相關(guān)標準的協(xié)調(diào)一致性，大大提高了該標準的市場適用性。

3）可操作性強，涵蓋了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到成果交付的全過程。LBS規(guī)范是一個全面系統(tǒng)的Li-DAR 技術(shù)規(guī)范，涵蓋了從LiDAR 飛行數(shù)據(jù)采集的要求、天氣條件、數(shù)據(jù)格式等，到數(shù)據(jù)處理的點云分類、定位精度檢驗、瓦片要求等，以及最終成果交付的內(nèi)容都進行了具體詳細的規(guī)定。與其他一些LiDAR數(shù)據(jù)處理規(guī)范僅僅側(cè)重于從LiDAR 點云數(shù)據(jù)生成DEM 不同的是。該標準著重強調(diào)了原始激光點云的處理過程，這樣可以保障在USGS NGP項目獲得完整的數(shù)據(jù)源包括元數(shù)據(jù)、特征線、質(zhì)量信息、描述性文檔和其他一些輔助數(shù)據(jù)，更好地支持LiDAR技術(shù)不同使用目的應用。

4）成果按精度分級，內(nèi)容豐富，保障了LiDAR數(shù)據(jù)的廣泛應用。USGS 在LBS 規(guī)范中規(guī)定成果按精度分為4 個等級，不同等級的質(zhì)量和技術(shù)指標不同。成果類型豐富多樣，包括分類的點云數(shù)據(jù)、裸地球表面數(shù)字高程模型、全部的特征線及其相關(guān)元數(shù)據(jù)，這種多元化豐富的數(shù)據(jù)成果既凸顯了LiDAR 技術(shù)的優(yōu)勢，兼顧了不同部門對高程數(shù)據(jù)的不同需求，同時還實現(xiàn)了一次性數(shù)據(jù)的獲取，多部門數(shù)據(jù)的共享和重復利用，推動了地理信息資源價值的提升[14]，對于我國目前開展的實景三維中國建設(shè)具有很好的借鑒意義。

5 結(jié) 語

激光雷達作為近年來迅速發(fā)展起來的一門新興測繪技術(shù)，具有高精度、高自動化、高效率等傳統(tǒng)測繪無法比擬的優(yōu)勢，在當前我國智慧城市建設(shè)、資源調(diào)查監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪等領(lǐng)域的應用越來越廣泛。當前隨著實景三維、新型基礎(chǔ)測繪、自動駕駛高精度地圖等研究的開展，隨之LiDAR 的標準化需求也愈加迫切。本文在梳理分析美國LiDAR標準化背景和標準化歷程的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面對機載Li-DAR 標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和技術(shù)指標進行具體分析，并探討了美國激光雷達新技術(shù)的標準化特點和優(yōu)勢，對于我國測繪地理信息新技術(shù)標準的研發(fā)和制定具有一定的參考價值。