利用機載LiDAR測繪大比例尺數字地形圖的精度分析

王 煒

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.國家測繪局陜西測繪產品質量監督檢驗站，陜西西安710054)

利用機載LiDAR測繪大比例尺數字地形圖的精度分析

王 煒1，2

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.國家測繪局陜西測繪產品質量監督檢驗站，陜西西安710054)

通過分析機載LiDAR進行數字地形圖測繪的工藝流程，闡述各個流程的誤差，進而闡述誤差分布的規律、機載LiDAR的使用范圍。

機載LiDAR;數字地形圖;誤差來源;誤差估算

一、引 言

機載激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)是利用安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，實現快速獲取高精度數字地面模型和地面物體三維坐標的空間信息獲取技術。LiDAR技術采用集成激光測距技術、計算機技術、慣性導航測量(IMU)/差分定位(DGPS)技術來獲取飛機的瞬時位置和激光掃描儀的姿態，具有自動化程度高、受天氣影響小、數據獲取周期短、精度高等特點，具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無法取代的優越性，因此引起了測繪界的濃厚興趣。利用LiDAR成圖有可能為測繪行業帶來一場新的技術革命。

傳統測繪地形圖的方法有(電子)平板測圖和(數字)航空攝影測量測圖。通過對不同行業的測量規范(電子)平板測圖和(數字)航空攝影測量測圖的誤差分析，在大量試驗、應用經驗的基礎上，結合本行業要求，制定了相應的地形圖精度要求。《公路勘測規范》(JTG C10—2007)制定的地形圖精度要求如表1、表2所示。由于公路勘測設計中大量使用的是1∶2000比例尺的地形圖，因此本文以1∶2000比例尺的地形圖精度要求(如表3、表4所示)為例，對利用機載LiDAR測繪數字地形圖進行精度分析與評價研究。

表1 圖上地物點的點位中誤差 mm

表2 等高線插值的高程中誤差

表3 1∶2000地物點的點位中誤差 m

表4 等高線插值的高程中誤差 m

上述誤差僅僅考慮了測圖比例尺和地形類別等因素的影響，如果要考慮植被因素的影響，則要復雜得多。而對于現階段逐漸推廣應用的機載LiDAR數字測圖方法的精度，本文通過以下分析與傳統的平板測圖和航空攝影測量進行比較。

二、機載LiDAR數字測圖的原理和作業流程

機載LiDAR數字測圖的基本原理如下:

1)進行航空LiDAR掃描，得到地表的點云和彩色數字像片。由于點云數字采集過程中進行了慣性導航測量和GPS的空地聯測，因此采集的點云具有空間三維坐標。點云間的間距根據需要確定，測繪1∶2000地形圖通常使用2 m的間距。

2)剔除非地面點云后，經過一系列坐標轉換，得到地面的點云，即具有三維工程坐標系坐標的地面點。

3)將處理完成的點云通過構建三角網，即數字地面模型，內插生成等高線。

4)將數字等高線圖與正射影像圖進行疊加，生成等高線正射影像圖，然后在等高線正射影像圖中繪制地物、建筑物、地貌、水系、管線、植被、分類界、道路等，形成初步的線劃地形圖。

5)利用初步的線劃地形圖到實地進行調繪，調查并編輯地物、建筑物、地貌、水系、管線、植被等的屬性及相關數據和名稱，并根據需要的間距自動標注高程點，形成線劃地形圖。

綜上所述，可將機載LiDAR數字測圖的流程歸納如圖1所示。

圖1 機載LiDAR數字測圖工藝流程

三、數字測圖的誤差來源

根據《公路勘測規范》(JTG C10—2007)的規定，平板測圖和航空攝影測量測繪的地形圖的平面位置精度要求相同。根據機載LiDAR的測圖原理，利用該方法測繪數字地圖的平面坐標和航空攝影測量也基本相似，因此本文著重討論高程誤差方面的問題。

平板測圖、航空攝影測量和機載LiDAR數字測圖的高程誤差主要由以下幾個方面組成。

1.像控點誤差或者點云獲取的誤差(mD)

機載LiDAR點云獲取誤差來源于慣性導航測量誤差、GPS空地聯測誤差和坐標轉換誤差的聯合影響。通過適當的技術手段，該部分誤差可以達到常規測圖中的像控點或者圖根點的精度水平，為測圖基本等高距的1/10。1∶2000地形測圖時該方面的具體數值如表5所示。

表5 1∶2 000地形圖像控點、點云獲取的高程中誤差m

2.地形概括誤差(mG)

該部分誤差與采集的地形點間距和地形起伏有關，常規方法測繪1∶2000地形圖時，要求地形點間距不大于50 m。《公路勘測細則》(JTG/T C10—2007)規定“梯田應以等高線配合梯田坎表示，兩坎間距在圖上小于5 mm或坎高小于1/2等高距時可進行取舍”，因此可以取1/2等高距作為地形概括的誤差，1∶2000地形圖的地形概括誤差如表6所示。

表6 1∶2000地形圖地形概括高程中誤差

機載LiDAR測繪1∶2000地形圖時，一般要求點云間的間距不大于2 m，即實測的地形點相當密集。處理實際數據，可以利用點云高程的變化求出每一個地形特征線。因此機載LiDAR測圖時該部分誤差相對于常規測圖要小得多，以點云間距2 m、地形起伏為10°估算，則由于地形概括而引起的誤差為±0.18 m，這集中在微丘、重丘和山嶺區，而平原地區則不存在該方面的問題。

3.地形點平面位移引起的高程誤差(mY)

常規測圖方法中，由地形圖平面位移引起的高程誤差與地形概括誤差基本相同，因此可取地形概括誤差作為由地形點平面位移引起的高程誤差。而機載LiDAR測繪地形圖時，地表的三維坐標是同時獲取的，因此該部分誤差可以忽略不計。

4.植被影響引起的誤差(mZ)

平板測圖時，由于是實地測量，該部分誤差可以忽略不計。但航空攝影測量和機載LiDAR測圖時，該部分的影響有時比較大。下面以離散型植被、稀疏型植被(指植被間有間隙，但立體像片上不容易分辨)、密集型植被分別進行討論。

1)離散型植被對航空攝影測量影響較小，對機載LiDAR測圖幾乎沒有影響。

2)稀疏型植被對航空攝影測量有非常大的影響，但對機載LiDAR測圖影響很小。進行航空攝影測量時，該部分的影響一般就是野外調繪時植被高度的目視估計誤差。

3)密集型植被對航空攝影測量和機載LiDAR測圖均具有很大的影響，進行航空攝影測量時，該部分的影響和稀疏型植被基本相同，對機載LiDAR測圖可能達到植被高的1/2。

四、數字測圖的高程精度誤差估算及精度研究

1.高程精度誤差估算

根據上述誤差來源分析，平板測圖、航空攝影測量和機載LiDAR數字測圖的高程精度總誤差分別計算如下

式中，MLiDAR總以點云間距為2 m、地形起伏為10°進行估算。

2.機載LiDAR測圖精度案例分析

以秦嶺腹地某高速公路漢中至南鄭段機載LiDAR 1∶2000數字地形圖測繪成果為例，采用全站儀外業散點法與GPS RTK實時差分定位技術相結合的方法檢測平面點736個，高程點1141個，檢測點的選取按植被覆蓋類型予以區分。平面和高程中誤差按照《數字測繪成果質量檢查與驗收》(GB/ T 18316—2008)統計計算。平面精度檢測中誤差為±1.04 m，本文不再贅述。高程精度如表7所示，平面、高程精度檢測結果均符合規范要求。

表7 高程點檢測精度統計

五、結 論

1)沒有植被或只有離散型植被的地區，高程精度較高，其中在沒有植被的地區高程精度最高，因為激光脈沖的反射信號最強，點云的過濾與分類較易識別。此種情況下，丘陵和山區機載LiDAR測圖的精度大大高于平板測圖和航測成圖精度，特別是在重丘和山嶺區，同樣細小的溝渠和溝坎處，機載LiDAR測圖精度明顯優于平板測圖和航測成圖精度。

2)當植被覆蓋從稀疏向密集過渡，密集到航測內業無法截取地面高程，但仍然有適量的點云可以穿透植被到達地面時，其航測成圖的精度比平板測圖和機載LiDAR測圖精度要低，有時甚至低很多。因為航測成圖的植被高度一般是由野外調繪人員估計的，由于實地植被高度參差不齊，有時相差很大，因此植被高度估計誤差某些情況下還是比較大的，有時甚至相差10～20 m，這種情況在我國絕大部分地區存在。

3)當地面覆蓋密集型植被，隨著植被高度由低到高，機載LiDAR測圖高程精度的誤差也隨之增大。這是由于植被的茂密程度和高度越大，對激光信號的吸收程度和散射程度越大，能穿透植被到達地面的點就越少，從而所能采集的地面激光點數就越少，點云的過濾與分類較困難，從而導致覆蓋有密集型植被的區域高程精度降低。植被的密度及高度對機載LiDAR成圖精度的影響比其他因素的影響要大得多，特別是覆蓋有高大植被的地區。當然這是相對的，從高程誤差的估算公式和案例分析看，其他測量方法相對于機載LiDAR測圖而言，植被的影響還要大得多。

［1］ 張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2007.

［2］ 武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

［3］ 喻雄.機載激光雷達在山區高速公路勘測中的應用［J］.測繪通報，2011(2):31-34.

［4］ 黨建軍，黃文元，黃愛華.我國公路改擴建工程勘測方法對比分析［J］.公路，2011(3):84-86.

［5］ 黨建軍，黃愛華，黃文元.車載LiDAR掃描技術在公路改擴建工程的應用研究［J］.公路與自然，2011(2): 1-4.

［6］ 羅志清，張惠榮，吳強，等.機載LiDAR技術［J］.國土資源信息化，2006(2):20-25.

［7］ 中華人民共和國交通部.JTG C10—2007公路勘測規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［8］ 中華人民共和國交通部.JTG/T C10—2007公路勘測細則［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 18316—2008數字測繪成果質量檢查與驗收［S］.北京:中國標準版社，2008.

Accuracy Analysis of Surveying Large Scale Digital Topographic Maps Using Airborne LiDAR

WANG Wei

0494-0911(2012)06-0034-03

P217

B

2011-06-02

王 煒(1977—)，男，陜西蒲城人，工程師，主要研究方向為測繪質量檢驗的理論與應用。