基于VQ- 1560i 機載掃描系統獲取點云數據的質量分析

張廣振

（新疆維吾爾自治區第一測繪院，新疆 昌吉 831100）

0.引言

傳統DEM 生產方式是主要通過獲取航空影像數據，立體下測制等高線，不僅作業效率低且受人眼有視差的影響精度受損。直到航空點云掃描系統的問世可以同時獲取影像數據和點云數據，且影像數據僅作為點云數據的輔助數據主要用于在點云數據下識別大量地物信息輔助測繪地物，大量帶有的地面點的坐標及高程的點云數據直接制作的DEM 省去了許多作業流程，不僅效率高且精度相比影像數據也有所提升，同時DEM 精細度更高。VQ－1560i 機載掃描系統主要由當前國際最先進的激光（LiDAR）系統，也是國家基礎信息中心指定點云數據獲取儀器之一。本次獲取LiDAR 掃描點云密度為每平方米優于0．25 個點，成圖比例尺1∶10000，所獲取數碼影像地面分辨率優于0．5m，高程精度優于0．3m，最大誤差小于測區內2 倍中誤差。像片旋角不超過15°。航帶重疊度應達到20%，最少為13%，沒有絕對漏洞。最終利用CORS 站野外實測，通過野外實測點位與點云數據點位比對分析驗證點云數據，無論是平面精度和高程精度均滿足精度要求。

1.數據獲取

1.1 檢校場布設參數

由于點云掃描系統的硬件系統的要求，為獲取精確的點云數據，飛行作業前需對獲取數據進行精確的檢校飛行。檢校飛行要求滿足高度角大于15°，衛星數量大于10 顆，并選擇好的觀測時段，位置精度衰減因子（PDOP）值小于4。構架航線相鄰的平行航線需要有一到兩條構架航線進行垂直構架以用來后期數據處理中保證各條航線的連接精確。檢校場航線設計主要考慮飛行的方便、特征地物明顯易于判讀的因素。檢校場飛行設計為2 個航攝高度（如圖1 所示），14 條航線，其中低航高航線為6×4，共10 條，旁向重疊度大于60%，單向飛行；高航高航線為2×2，共4 條，旁向重疊度大于50%。檢校場參數（如表1 所示）：

表1 檢校場參數

圖1 檢校場航線示意總圖

1.2 點云數據獲取參數

數據獲取主要考慮到有以下因素可能對飛行質量及經濟效益產生影響：（1）地形地貌；（2）攝區附近可用機場信息；（3）最后機載LiDAR 系統對飛機的一些特殊要求等，本次數據獲取將分為2 部分進行航攝設計，數據獲取參數（如表2所示）：

表2 數據獲取參數

2.數據質量分析

與傳統的影像數據不同，點云數據直接帶有平面坐標和高程的屬性，若點云數據的質量差是沒有辦法，可以通過后期其他手段補救的，只能通過現場重飛或者補分重新獲取數據提高質量。所以點云數據質量分析正確性直接決定后期數據是否可用。點云做以下分析要素，主要有POS 數據質量分析、檢校場檢校結果分析、點云數據覆蓋分析、點云重疊度分析、點云密度分析、點云間距分析、影像質量分析、LiDAR掃描數據精度驗證。

2.1 POS數據質量分析

點云數據對POS 的質量嚴重的依賴性，POS 數據質量直接決定了點云數據質量，POS 數據的解算方式有兩種：一種是PPP 解算方式；另一種是通過架設地面基站采用差分方式解算POS 數據，同時差分方式POS 數據精度更高。所以本次數據獲取通過架設地面基站的方式解算POS 數據，解算數據獲取使用配套的POSPac MMS 軟件對數據進行POS 處理解算，經檢查空中GNSS 數據和IMU 數據均連續無中斷，數據質量良好。航線的平面位置偏差和高程偏差以及PDOP值滿足規范要求。檢校場POS 解算成果中，檢校場最終使用地面基站進行解算，且GNSS 數據和IMU 數據均無連續中斷，數據質量良好。POS 數據精度結果（如表3 所示）：

表3 POS 數據檢查結果

2.2 檢校場檢校結果分析

檢校場飛行完畢后通過數據處理，LiDAR 航線相鄰航線接邊高程差平均最大為7cm，對飛航線接邊高程差值平均最大7cm，垂直航線接邊高程差值平均最大10cm 滿足要求。經過軟件處理獲取檢校結果（如表4 所示）：

表4 LiDAR 檢校結果

2.3 點云數據覆蓋分析

點云覆蓋是點云數據獲取質量的一部分，航線間點云覆蓋旁向重疊度最小為15．28%，最大為67．69%，點密度最小為0．53pts/m2。點云覆蓋圖（如圖2 所示）：

圖2 點云覆蓋圖

2.4 點云重疊度分析

點云重疊度檢查，主要檢查航帶與航帶間的重疊度是否滿足要求，本次檢查使用西安煤航遙感信息有限公司自主開發的專業質檢軟件并生成檢查報告（如表5 所示），經檢查一般旁向重疊范圍15．28%－67．69%。

表5 點云重疊度檢查報告

2.5 點云密度分析

LiDAR 點云密度涉及數據采集和數據處理及應用的整個鏈條，是數據質量的重要指標。激光雷達點云密度的作用類似遙感影像的分辨率，點云密度越大，則能探測更微小目標后期生成的DEM 越精細，點云密度報告（如表6 所示）：

表6 點云密度

2.6 點云間距分析

本攝區分別在平地、居民地、山地，三種不同地形類別進行點云間距的抽樣調查（如表7 所示）針對不同地形類別對點云間距的檢查情況截圖。平地抽樣數量為25，點距統計平均值0．97m，居民地抽樣數量為20，點距統計平均值1．02m，山地抽樣數量為20，點距統計平均值0．83m，抽樣整體平均值為0．945m，點間距統計（如表8 所示）：

表7 針對不同地形類別對點云間距的檢查情況截圖

續表7：

表8 點間距統計表 單位：m

2.7 影像質量分析

RIEGL 公司生產的航攝儀為激光三維點云航攝儀，該儀器以獲取激光三維點云數據為主，故所搭載的輔助框幅式相機未配備陀螺修正座架，影像數據俯仰角、旋偏角較大。經分析，數據獲取的LiDAR 點云數據滿足合同和規范要求，由于地面揚沙影響，原始影像質量不佳，調色后的影像無裂縫、不偏色、無色斑等情況，地物清晰可辨，該影像作為輔助影像，能夠滿足制作DEM 的要求，影像檢查數據（如表9 所示）：

表9 航攝影像檢查

2.8 LiDAR掃描數據精度驗證

為了檢驗點云精度，根據攝區面積，選取約占1 幅1∶10000比例尺地形圖范圍，面積約25km2。測區地形主要為居民區，平坦地形。測區地形主要為居民區，平坦地形。根據范圍大小和分布情況布設2 個精度驗證區，精度驗證區位置（如圖3所示），精度驗證方式采用野外實測的方式。其中，項目之所以選取如此的兩個精度驗證區和野外實測主要基于以下幾個方面：

（1）野外實地打特征檢測點云數據，檢測數據精度的可信度高，同時利用新疆CORS 系統，新疆CORS 系統是新疆自然資源廳經過多年的建設，國家質檢部門驗收，同時也經過多個項目的實踐。實地采集地面點坐標，精度統計（如表10 所示）：

（2）整個項目測區范圍大小適中、地形較為復雜，根據實際情況選取了兩個精度驗證區；

（3）項目的精度檢校區位于測區的中部及東南部，中部的精度驗證區距離布設的地面基站較近，東南部的精度驗證區是項目的較弱區，因此選取項目中部與東南部為精度驗證區以充分保證項目成果精度驗證的可用性及對比性。

圖3 精度驗證區衛星影像圖位置

表10 高程精度檢測統計表

2.9 數據質量質量綜合評測

經對POS 數據分析、點云數據分析、影像數據分析、精度驗證區分析中部精度驗證區LiDAR 點云數據高程精度中誤差為±0．132m，東南部精度驗證區LiDAR 點云數據高程精度中誤差為±0．185m。POS 數據質量、點云覆蓋、點云間隔、重疊度、高程精度、影像質量等均滿足要求。

3.結束語

通過本項目的質量檢查結果驗證了VQ－1560i 機載掃描系統獲取點云數據精度可靠性且為后期DEM 制作提供可靠的數據。隨著高精度數字高程模型（DEM）在國家發展建設中的作用日趨突顯。點云數據獲取將替代傳統的航空影像獲取，與此同時點云數據獲取效率高、精度更高、數據處理方便等優勢使DEM 制作流程簡單化，為未來獲取優質的地理信息數據提供了有力保證。