LiDAR 點的精度檢驗

歐陽平

(1.漳州市測繪設計研究院，福建漳州 363000； 2.福建省漳州市城鄉規劃局，福建漳州 363000)

LiDAR 點的精度檢驗

歐陽平1，2?

(1.漳州市測繪設計研究院，福建漳州 363000； 2.福建省漳州市城鄉規劃局，福建漳州 363000)

LiDAR機載激光掃描測高或激光雷達(LiDAR)是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，可以量測地面物體的三維坐標，在三維地理空間信息的數據采集方面有廣闊的發展前景和應用需求。本文介紹了LiDAR測量技術的優越性及其應用，提出了LiDAR點精度的檢驗方法，并運用實例對加拿大OPTECH公司的ALTM3100系統的Li-DAR點的高程、平面精度進行內符合、外符合檢驗，并提出了提高LiDAR點精度的方法。

激光雷達；4D產品；精度檢驗

1 前 言

LiDAR即Light Detection And Ranging，也叫機載激光掃描測高或激光雷達，是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，可以量測地面物體的三維坐標。Li-DAR數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數字高程模型(DEM)、等高線圖及正射影像圖(DOM)。機載激光雷達技術的商業化應用，使航測制圖如生成DEM、等高線和地物要素的自動提取更加便捷，其地面數據通過軟件處理很容易合并到各種數字圖中。

LiDAR技術發展歷史雖然不長，但是引起了人們的廣泛關注和應用，成為國際研究開發的熱點技術之一。同其他遙感技術相比，LiDAR技術具有自身的優越性，主要表現在以下幾個方面[1]:

(1)LiDAR系統是一種主動式測量系統，不受天氣、云霧的影響。

(2)激光脈沖信號能部分穿透植被，能快速、高精度和高空間分辨率地繪制林區或山區的真實地形圖，只要植被不會太密足以保證激光信號能夠到達地面并被反射回去。

(3)無需大量地面控制點，且速度快，半天就能完成1 000 km2區域面積大小的地形數據采集[2]。

(4)作業安全，它能進行危險地區(如沼澤地帶、大型垃圾場)和無法布設控制點的地區的測圖工作。

(5)作業周期短，易于更新。

(6)實效性強，24 h內就可以提取測區的DEM數據。

(7)將信息獲取、處理及應用技術納入同一系統中，更有利于提高自動化和高速化程度。

2 LiDAR主要應用領域

LiDAR系統可以為城市、地理、資源、生態、環境、人口、經濟、社會等領域提供服務，特別是國土資源、城市規劃、環境保護、公共安全等部門，充分利用由LiDAR系統參與建立的城市數字信息系統實現辦公自動化和決策科學化。目前主要包括以下幾個方面的應用[3]。

(1)測制帶狀目標地形圖；

(2)環境監測、災害調查；

(3)海岸地區測繪；

(4)森林地區DEM的獲取、推求森林垂直結構；

(5)城市三維建模。

LiDAR利用激光傳感器對地面進行掃描，同時利用IMU(慣性導航系統)實時定位飛機姿態(250 Hz)，再加上GPS(全球定位系統)觀測坐標(采樣間隔為1 s)，還可以打開LiDAR攜帶的數碼相機進行航空攝影獲取相片數據，可用于快速獲取大面積三維地形數據，快速生成城市地區的數字表面模型(DSM)，進行地物自動提取，由DTM生成數字高程模型(DEM)，結合數碼影像生成數字正攝影像(DOM)，也可構建立體模型繪制數字線劃圖(DLG)，在數字城市中獲取大范圍高精度的4D產品(如圖1～圖4所示)，為城市三維建模提供基礎數據。

圖1 DSM

圖2 DEM

圖3 南通狼山地區DEM(部分)

圖4 南通狼山地區DOM(部分)

3 LiDAR點精度及檢驗

3.1 標稱精度

由于不同的生產廠家對各自的系統所標稱的精度千差萬別[3]，例如，徠卡公司的ALS50標稱精度為:平面＜1 m，高程6 cm～10 cm(航高4 000 m)；加拿大OPTECH公司的ALTM3100的標稱精度為:平面1/3000×航高，高程＜0.35 m(航高3 000 m)[3]。

實際生產中要對某一具體型號的LiDAR系統，選取某些特殊地形的場地進行精度驗證。

3.2 高程精度檢驗方法

目前經常使用的高程檢校辦法是找一小塊水平的平地作為檢校場，這個面上的高程應該相等。然后利用激光雷達對檢校場進行實地飛行，取地面的實際高程作為真實高度，然后用每個激光點的實際觀測值與真實值求差值，就可以獲得每個激光點的觀測值誤差和中誤差。

3.3 平面精度檢驗方法

由于機載激光的觀測不能完全按照要求在地物特征點上采樣，也就是說，給定一個激光腳點很難同真實場景中的地物點匹配起來。為此通常是選取規則房屋的房角或屋脊，輸電線等點狀或線狀地物來進行。為了盡量在掃描過程中能采集到這些點狀或線狀地物的特征點，在作業過程中要保證足夠的數據密度。然后將激光點和影像定位，判讀落在特征點上的腳點，在實地量測其精度，即可統計出激光LiDAR點的平面精度[3]。

3.4 工程實例

數據采集時間:2006年7月；儀器:ALTM-3100；航攝高度:3 500 m；

LiDAR設計參數:脈沖頻率:70 kHz，掃描頻率: 32 Hz，掃描角度:20°，旁向重疊:40%，地面點間距: 0.8 m，激光類型:窄激光。

(1)高程內符合精度檢驗

取激光點地面的平均高程作為真值，然后用每個激光點的實際觀測值與真值求差值，獲得每個激光點的觀測值誤差和中誤差。

根據實際情況選取A1、A2兩個區域進行激光點的高程內符合精度檢驗，檢查區域影像如圖5所示，對應激光腳點分布圖如圖6所示。

圖5 A1、A2影像圖

圖6 A1、A2激光腳點分布圖

①單航線，無重疊區域，圖5、圖6所示A1區域

A1區域:面積約1 967.5 m2，激光點3 200個點，點間距0.68 m。

A1區域高程內符合精度統計表 表1

②兩條航線重疊區域，圖5、圖6所示A2區域

A2區域(東北、西南兩條LiDAR航線重疊區域):面積約249 m2，激光點1 352個點，單航線點間距0.68 m。

A2區域高程內符合精度統計表 表2

從表1、表2的統計結果來看，激光點的高程內符合與儀器標稱精度(高程＜0.35 m航高3 000 m)基本一致。

(2)外符合精度檢驗

從內符合精度檢驗來看，在平坦地區LiDAR點的高程精度是符合其標稱精度的，鑒于通過內符合精度檢驗無法確定不平坦區域的高程精度，故采用實地檢查的方法來檢查LiDAR點在不平坦地區的高程精度，同樣可用實地檢查的方法來檢查LiDAR點的平面精度。

本例中利用Trimble RTK系統對與(1)中同航帶的LiDAR點進行野外外符合精度檢驗。

RTK使用儀器為Trimble 5700標稱平面精度為(±5+1ppm×D)mm，觀測采用1+2的觀測模式(一臺基準站，兩臺流動站)，為保證RTK的準確度和控制點的可靠性，在架設好基準站后，利用RTK對已知控制點進行檢核，并用兩臺流動站分別在同一位置測量，以進行互相比較檢核，結果表明RTK成果與靜態成果相差不大(平面9.5 mm，高程7 mm)；兩臺RTK流動站測同一點的坐標成果基本一致，由此可見，基準站數據成果可靠，RTK流動站工作正常，可信度高。

①高程外符合精度檢驗:采取在道路中線、比較寬闊的地方測得部分高程點。通過搜索每個實測點周圍5 m范圍內的LiDAR點，再由這些LiDAR點坐標通過線性內插的方式計算出測點處的LiDAR點高程，并與實測的高程進行比較。共選擇了49個檢核樣本，Li-DAR點高程誤差分布區間見表3，高程誤差分布直方圖如圖7所示。

LiDAR點高程誤差分布區間表 表3

圖7 高程誤差分布直方圖

從誤差的分布范圍來看，LiDAR點高程誤差分布在-1 m～3 m的范圍內:其中33個分布在-0.5m～-0.5m范圍內，占檢測樣本的67%；6個分布在0.5m～1.5m范圍內，占檢測樣本的12%；6個分布在1.5m～2m范圍內，占檢測樣本的12%；兩個大于2 m，占檢測樣本的4%；2個小于-0.5 m，占檢測樣本的4%。

從檢核點的分布區域看，誤差較大的檢核點(大于1 m)共11個，其中有7個分布在山脊(谷)上。且“-”誤差有只有7個，而“+”有誤差42個。

在選取的49個LiDAR點高程樣本中:有12個分布在比較寬闊平坦的地方，檢核點差值絕對值平均為0.286 m，只有一個點的差值絕對值＞1 m，若去除該檢核點，則剩余檢核點的差值絕對值平均為0.205 m；22個分布在路面上及其他較平坦的地區，檢核點差值絕對值的平均為0.526 m，有三個檢核點的差值絕對值＞1 m，若去除這三個點則剩余19個檢核點的差值絕對值的平均為0.291 m；15個分布在地形變化較大的區域，檢核點差值絕對值的平均為1.087 m，其中7個檢核點的差值絕對值＞1 m，5個檢核點的差值絕對值＞1.5 m。

可以看出:LiDAR點的誤差大部分分布在-0.5m～0.5m的范圍內，LiDAR點的高程在平坦地區精度能達到0.205 m，在較平坦的地區的精度能達到0.291 m，但在地形變化較大的地方的精度只有1.087 m，且存在一定的系統誤差。檢核點絕對值的平均誤差為0.639 m；若去除誤差≥1 m的檢核點(11個)，用剩余的38個樣本計算檢核點誤差絕對值的平均為0.305 m，與儀器標稱精度(3 500 m飛行高度，≤35 cm)相符。

②LiDAR點的平面外符合精度檢核

3.3 節所述的LiDAR點的平面精度檢驗方法在實際中很難操作，本文通過LiDAR點高程與實測高程的聯系來檢查LiDAR點的平面外符合精度。

通過搜索實測點周圍5 m范圍內的LiDAR點，再由這些LiDAR點坐標通過線性內插的方式計算出測點處的LiDAR點高程，再比較內插的高程和LiDAR點的高程，將差值最小的LiDAR點的平面坐標作為實測點處的LiDAR點平面坐標，再與實測坐標進行對比，并分析X方向和Y方向上誤差分布，結果見表4，共選取了58個檢測樣本。

實測LiDAR點坐標與對應LiDAR點坐標比較 表4

4 結 論

通過以上分析可知:ALTM3100激光雷達的高程精度無論是內符合精度還是外符合精度都是符合其標稱精度的，但是其平面精度由于檢測方法限制，仍不能很好地檢測其平面精度，按照3.3的檢測方法可知，實際的平面精度要遠低于標稱精度。

LiDAR數據的精度與諸多因素有關，主要有如下三方面:

(1)硬件

LiDAR系統測量是測距-成像組合掃描儀在獲取地面點的圖像和激光測距數據的同時向GPS和姿態測量裝置發出一個同步脈沖信號，分別由GPS、姿態測量裝置、激光測距儀進行而這三者測量中都不可避免地帶有一定的誤差[6]，從而導致LIDAR系統測量三維定位結果帶有誤差。由硬件部分產生的誤差主要有GPS定位誤差、測距誤差、姿態誤差、掃描角度誤差等。影響機載激光對地定位精度的各因素中，影響最大的是GPS定位精度，如果能優化飛行作業，并提高GPS的定位精度，在正常情況下垂直方向精度都能達到7 cm～8 cm的水平[5]。

(2)軟件

目前的LIDAR系統激光點數據處理并沒有一個統一的規范，各個廠家推出各自的數據處理軟件，其數據處理的依據、流程，算法也不為外界所知，同樣的數據采用不同的軟件處理可能就有系統誤差；另外激光點由WGS84坐標向當地坐標系轉化以及垂線偏差的存在都給最后的三維定位帶來誤差。

(3)被探測的物體

被探測的物體材質不同、探測時接觸的反射面的角度不同都會直接影響到激光點的反射強度及測量精度。

目前，激光測高絕對精度可達15 cm；相對精度能達到5 cm；平面位置的絕對精度主要取決于飛行高度(平面位置精度約為飛行高度的1/1000)等參數，通常為dm級到m級的精度[6]，隨著人們認識的不斷加深，如果采取一定的模型或方法去模擬或削弱這些誤差的影響，其精度指標還有望得到進一步提高。

[1] 劉艷華.機載激光掃描側高數據的應用與試驗[D].太原理工大學碩士論文，2006.

[2] 劉燕京.關于新一代激光雷達系統[M].測繪科學，2003(3).

[3] 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.

[4] 王永平.機載LiDAR數據處理及林業三維信息提取研究[D].中國測繪科學研究院碩士論文，2006.

[5] 尤紅建.激光三維遙感數據處理及建筑物重建[M].北京:測繪出版社，2006.

[6] 劉經南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統誤差分析[M].武漢大學學報—信息科學版，2002，27(2):111～117.

Precision Analysis of LIDAR Points

Ou Yangping
(Zhangzhou Institute of Surveying and Mapping，Urban Planning Buruan of Zhangzhou，Zhangzhou 363000，China)

LiDAR(Light Detection And Ranging)is an airborne laser detection and ranging system，using the device you canmeasure the three-dimensional coordinates of ground objects，with higher-performance equipments，ithas technically superiority in collecting three-dimensional geospatial informationprospects.This paper introduces the superiority of the LiDAR measurement technology and its applications，put forward themethod to check-up the precision of the laser points，take for example the Canada OPTECH ALTM3100，inspects its elevation and plane accuracy of the laser points，and put forwardamethod to improve the accuracy of the laser points.

light detection and ranging；DSM，DEM，DOM，DLG；check-up the precision

1672-8262(2013)04-122-05

P237

B

2012—10—12

歐陽平(1978—)，男，工程師，主要從事測繪生產科研工作。