機載LiDAR數據獲取及現場質量檢查

鐘振云

摘 要：機載激光雷達是一種能夠快速高效獲取點云數據的新興技術，它在各個行業有著極為廣泛的應用。本文主要討論了機載LiDAR數據獲取及現場質量檢查方法。

關鍵詞：機載LiDAR；數據獲取；現場質量檢查

隨著我國的基礎建設的不斷增多，特別是地理空間數據應用領域的需求不斷擴大，對快速獲取高精度的地理空間數據的緊迫性越來越強烈。機載LiDAR作為一種快速、高效、高精度的技術手段，越來越受到各個行業的廣泛應用。機載LiDAR在數字高程模型上的優勢，逐漸取代傳統測量方式，取代了傳統測量生產周期長、效率低、費用高、精度低的劣勢。

機載激光雷達（Light Detection and Ranging，簡稱LiDAR）是激光探測及測距系統的簡稱。機載激光雷達（LiDAR）技術是將激光掃描儀、GNSS設備和INS等設備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進行掃描，記錄目標的姿態、位置和反射強度等信息，獲取地表的三維信息，并經過后處理得到所需空間信息的技術。本文結合廣西林業LiDAR數據獲取及處理項目，總結說明機載LiDAR數據獲取及質量檢查的方法。

1 機載LiDAR數據獲取及處理簡介

機載LiDAR項目實施的過程，可分為控制測量環節、航空攝影環節、現場質量檢查環節、數據處理環節、成果質量檢查及提交六個主要環節。

1.1機載LiDAR數據獲取

（1）控制測量

收集分析測區地形資料、地表覆蓋情況、已有高等級控制點資料，對測區進行踏勘，進行控制測量網設計及觀測。

（2）航空攝影

按照測區地形特點、項目的技術要求結合航攝激光雷達系統性能特點，并結合飛行管制因素，對測區進行航線設計。確定合理的航高、激光掃描頻率、飛行速度、旁向重疊度及相機曝光參數等。航空攝影包括兩部分：檢校場飛行及項目飛行。

（3）數據預處理

對原始數據進行解算，獲取GPS數據、IMU數據和激光點云數據，影像數據進行格式轉換。

（4）現場質量檢查

現場質量檢查的內容包括：基站數據質量檢查、數據完整性檢查、POS數據質量檢查、點云數據檢查、影像數據檢查、質檢工作整理。

（5）數據后處理

機載LiDAR數據后處理是根據項目技術要求，對獲取的質檢合格的LiDAR數據進行點云分類處理，生成數字高程模型和數字正射影像圖等4D產品。

（6）成果質量檢查

成果質量檢查是數據質量控制的重要環節，質檢通過對數據生產全過程的監控，保證產品質量，是進行數據質量控制的重要手段。成果質量檢查包括：自查檢查、過程檢查、最終檢查及內部驗收。

1.2機載LiDAR數據處理

機載LiDAR數據后處理是根據項目技術要求，對獲取的質檢合格的LiDAR數據進行點云分類處理，生成數字高程模型和數字正射影像圖等4D產品。

數據處理主要包括DGPS解算、DGPS/IMU聯合解算、激光點數據大地定向等關鍵步驟。

（1）DGPS解算：利用高精度GPS解算軟件，基于地面基站點的已知坐標，對機載GPS觀測數據和地面基站GPS觀測數據進行聯合差分解算，得到機載GPS接收機在每個觀測時刻的WGS84空間坐標系坐標。

（2）DGPS/IMU聯合解算：加入IMU記錄的飛行姿態數據，在軟件中與差分解算成果聯合進行處理，獲得機載IMU的航跡線，即每個觀測時刻的空間位置和姿態。根據測定的偏心向量，從而獲得激光掃描儀和航空相機各自的航跡線。

（3）激光點數據大地定向：基于激光掃描儀的航跡數據文件，軟件自動對每個激光點進行運算處理，得到每個激光點的空間坐標。

（4）坐標系統轉換

GPS數據經過差分解算后，獲得WGS84坐標，再根據工程的需要轉換成CGCS2000坐標、西安80坐標、北京54坐標或地方獨立坐標。

（5）點云數據分類

點云數據分類主要包括：點云數據分塊、點云噪聲點濾除、點云自動分類、人工編輯激光點云。

1）點云數據分塊：每個工程的點云數據都是海量數據，同時加載或處理對計算機軟硬件要求較高，故對點云進行分塊處理，減少數據量，方便進一步的數據處理。

2）點云噪聲點濾除：將明顯低于地面的點或點群（低點）和明顯高于地表目標的點或點群（云、霧），以及移動地物點定義為噪聲點。

3）點云自動分類：激光點云數據包含所有的激光測量點，包括地面和非地面的，要得到數字高程模型DEM，則首先需要把地面激光點分類出來。運行自動過濾算法對點云進行自動分類。

4）人工編輯激光點云：為了得到更精確的地形數據，有時候還會輔助使用激光分類專業軟件進行人工分類處理，手動編輯地形，得到完整的地表數據。

（6）數據接邊

由于采用分塊的方式進行激光點云分類處理，相鄰接連區域的數據會存在不合理的情況，因些需要進行接邊處理，保證數據的準確性及一致性。

（7）DEM、DOM生產

利用分類好的點云數據，提取地面點，構不規則三角網生成數字高程模型。利用數字高程模型數據及影像外方位元素，進行單片微分糾正、影像勻光勻色、拼接生成數字正攝影像圖。

2 項目概況

2.1項目概況

南寧市位于廣西壯族自治區南部偏西，是廣西壯族自治區首府及廣西政治、經濟、文化中心。南寧市地貌分平地、低山、石山、丘陵、臺地5種類型。根據廣西森林資源規劃設計調查南寧市試點工作任務的安排，2017年需完成南寧市全市機載激光雷達數據獲取及處理工作。項目區位于南寧市行政區域范圍，面積約22112平方千米。

2.2項目技術要求

本項目采用Riegl Q1560 i機載激光雷達系統。地面采用GXCORS數據進行同步觀測，采樣頻率為1秒（1Hz）。按照地形特點、成果要求、空域管制條件等情況進行分區設計，合理選擇航高、激光掃描頻率，進行航線設計，旁向重疊度優于20%，點云密度要求優于2點/平方米，影像無要求。點云數據分類只分為：地面點、植被點、其他非植被點。用于生產高精度DEM，不需要生產DOM。

成果以1：2000分幅，DEM格網間距：2米；坐標系統：成果均使用2000國家大地坐標系（CGCS 2000）坐標，高程基準為1985國家高程基準。投影方式：高斯-克呂格投影，3度分帶。高程精度：平地高程中誤差≤0.2米。

3 現場質量檢查

現場數據質量檢查的內容：基站數據質量檢查、數據完整性檢查、POS數據質量檢查、點云數據檢查、質檢工作整理。

1）基站數據質量檢查：檢查地面GPS采集時段是否與飛行時段吻合，并且采集頻率是否為1赫茲，滿足項目要求。

2）數據完整性檢查：檢查數據量大小是否正確，有無缺失。

3）POS數據質量檢查：檢查偏心分量是否經過兩次測定取平均值，確認測量值誤差小于1厘米，精度滿足要求。GPS信號是否失鎖，衛星數量最少是否為9顆，滿足相關規范要求。檢查時間信號有無重復或者丟失，IMU數據是否正常，且連續。如以上檢查均合格，則POS系統數據精度滿足要求。

4）點云數據檢查：包括數據覆蓋范圍、航帶重疊檢查、噪聲情況檢查、點云密度檢查、航帶拼接精度檢查。

數據覆蓋范圍及重疊度檢查：將全部激光點云數據導入軟件中，確定是否激光數據完全覆蓋攝區范圍，如圖3左下圖所示。航帶間重疊是否達到要求，如圖3右下圖所示。

激光點云密度檢查：攝區激光點平均密度為要求優于2點/每平方米，點密集需要完全滿足1：2000比例尺的精度要求。檢查情況如圖4所示。

航帶間數據匹配檢查：不同航帶間（含同架次和不同架次）點云數據同名點平面位置中誤差、高程中誤差應均應小于合同及規范要求，如果中誤差超限且存在系統誤差，應采取布設地面控制點的方式進行系統誤差改正，小于限差后，再進行航帶拼接。航帶間偏差匹配如圖5所示為匹配理想的情況。

5）質檢工作整理：把預處理后輸出的激光數據導入Tscan中檢查，確保測區覆蓋完全、無漏洞。如無漏飛區域，經過檢查，確保測區不需要補飛，并輸出數據質量檢查報告。

4 結束語

機載LiDAR數據獲取及現場質量檢查涉及很多部分的內容，只有嚴格把控各個部分的質量檢查工作，才能使后期處理工作更加順暢，加工出符合項目要求及規范的產品。本文通過結合實際生產項目，總結了機載LiDAR數據獲取及現場質量檢查的關鍵工作，對實際工作具有一定的參考價值。

參考文獻

[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，2010。

[2] CH/T 8024-2011，機載激光雷達數據獲取規范[S]。