基于機載LiDAR數據的DEM獲取和精度影響因素分析
——以沈陽攝區為例

于笑雨

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

機載激光雷達技術是多學科技術綜合，它是激光測距技術、計算機技術、載體動態姿態測量技術和動態GPS差分定位技術迅速發展的集中體現。機載激光雷達系統(LiDAR)是一種集激光、全球定位系統和慣性導航系統三種技術于一身的空間測量系統。該系統是將激光掃描儀、GPS接收機、慣性導航系統、數碼相機及控制單元等搭載在飛機上，通過主動向地面發射激光脈沖，接收地面反射回來的反射脈沖并同時記錄所用時間，從而計算出激光掃描儀到地面的距離，結合POS系統測得的位置和姿態信息可計算出地面點的三維坐標。

機載激光雷達的點云數據最主要的目的是獲取DSM、DEM，文中主要介紹基于沈陽攝區LiDAR點云數據的DEM獲取方法和綜合精度影響因素分析。

2 項目介紹

沈陽位于遼寧省中部，遼河、渾河、秀水河等途經境內，地形起伏不大，以平地和丘陵地為主，海拔在 25 m～450 m之間。攝區范圍為整個沈陽市域，總面積 13 456 km2，絕大部分為平原地形，海拔在 25 m～100 m之間；攝區北部有部分低矮丘陵地，海拔在 150 m～450 m之間，最高點海拔 450 m。

該項目使用通用航空公司的塞斯納208型飛機作為航空飛行平臺，使用RIEGL VQ-1560i激光航攝儀系統(集成飛行管理系統、POS系統)作為本次項目的遙感數據獲取設備，設計要求點云密度大于4點/m2(實際上是8點/m2)的激光點云數據和POS數據。高程中誤差需滿足表1精度要求，制作分辨率為 1 m間隔的DEM成果。

水體和接邊處DEM成果質量要求如下：

①水體，靜止水域范圍內高程值應一致，其高程應取常水位高程。流動水域內的DEM高程應自上而下平緩過渡，并且與周圍地形高程之間關系正確、合理。

②接邊，相鄰數字高程模型數據應接邊。接邊后數據應連續，無裂縫現象，相鄰圖幅重疊部分的高程值應一致。

3 點云數據獲取

獲取滿足設計要求的點云數據需要完成以下任務：航攝分區、航高確定、航空LiDAR數據獲取技術基本參數表、航空LiDAR航線敷設圖、GPS領航數據表、IMU/GPS設計、地面控制測量、精度驗證區布設、POS數據處理、點云數據預處理、數據成果檢查。

4 DEM數據獲取

基于檢查合格的點云數據，完成航帶裁切、分塊、對航帶重疊區處理、分類編輯、移動物體刪除、架空管線刪除、特征線采集、人工編輯、檢查點云分類成果，合格后生產DSM，獲取DEM。

利用MicroStation及Terrasolid中的TerraScan以及TerraModeler模塊，基于DSM成果處理點云數據，包括點云分類、編輯、特征線采集等，獲取合格的DEM數據。

DEM獲取流程如圖1所示：

圖1 DEM獲取流程

如下闡述DEM獲取的關鍵技術：點云分類和點云編輯。

4.1 點云分類

激光點云分類是從激光點云中提取地表激光點。利用地表激光點構TIN(不規則三角網)模型，檢查分類的效果，重點檢查坡度較大、單個三角形面積較大的區域(水系除外)以及特殊地物、地貌是否正確。對于異常區域，通過查看激光點云剖面圖，對地形不連續、噪聲點，以及非地表點(例如植被，房屋，橋梁等)被誤分入地表點的情況，加入人工手動分類，改正TIN模型，得到正確的地表激光點。

點云分類應首先濾除噪聲點、其次點云宏命令分類、最后手工精分類。

濾除噪聲點：地面點分類之前，應將明顯低于地面和明顯高于地面目標的點或點群分離出來或者刪除掉。

宏命令分類：利用TSCAN模塊創建宏命令對原始點云數據分類，分類級別為地面點、非地面點二類。設置合適的分類參數，這些參數設置需要較高的經驗值，一定要針對不同地形設置不同參數，對一些特定參數的設置需用實驗數據檢驗其適宜性，保證參數設置的準確性，使分類成功率可達88%以上或更高。分類層界面如圖2所示。

圖2 分類層界面

手工精分類：使用TModel軟件對分類后的地面點云數據構建地面模型或生成等高線，檢查地面點分類的質量，手工分類修正錯誤的數據。對高程突變的區域，需要調整參數或分類算法，采用人機交互的方式，使用地表模型編輯工具，借助快速正射影像、等高線和地表模型，認真檢查分類數據，將分類錯誤的點重新分類。修正效果如圖3、圖4所示。

圖3 橋處理前后對比圖

圖4 小山包處理前后對比圖

手工精分類會占用大量的時間，是LiDAR數據處理的主要工作也是最煩瑣的工作，是對一些參數設置經驗值要求最高的，點云分類的質量決定了地面模型的質量；完成分類編輯后，仔細自檢，獲取合格的DEM數據。

4.2 點云編輯

對點云數據中不屬于DSM的點實行分離，并通過分類編輯存放在相應的類別中。分類編輯過程應參考生成的DSM模型，重點關注移動物體、架空管線的處理。

編輯方法主要采用調整參數或更換算法，采用編輯宏命令對局部區域分類，如圖5所示為分離低點和孤立點。

圖5 宏命令界面

5 DEM精度影響因素分析

5.1 檢測點位布控及精度統計

航攝獲取的點云數據精度是保證DEM數據精度的基礎，對點云數據的正確編輯是獲取地面點數據精度的保障，編輯是一定要以不能破壞原始數據的精度為工作準則，獲取合格的DEM數據。檢測點位需覆蓋整個攝區，對檢測點位需精密布控，共對三種檢測方式的野外數據統計了高精度中誤差，精度遠高于技術設計要求，甚至有些超出預期。

(1)針對沈陽市域康平、法庫、新民、遼中、新城子、渾南莫子山、市區7個地區大約 13 km2，選測高程精度檢測點，檢測點分別選在鋪裝路面、大地、山坡，山頭、人行路、水田坎、房屋臺等 1 450個點，中誤差為 ±8.4 cm，滿足技術要求。高程精度檢測點位布控如圖6所示。

圖6 沈陽市域高程精度檢測點位布控圖

(2)對區域內一4 km2的鋪裝路面，采集高程檢測點101個，高程精度檢測表如表2所示，中誤差為 ±3.52 cm，滿足技術要求。

區域內一4 km2鋪裝路面高程精度檢測表 表2

續表2

(3)工作區內布設測量高程控制點305個，精度檢查點175個，高程精度檢測中誤差為 ±4.8 cm，滿足技術要求。

5.2 DEM精度影響因素分析

影響DEM精度是多因素的，通過實踐和研究，綜合影響因素有如下方面：

(1)影響精度的主要因素：良好的飛行方案，航高的合理設計，控制點的合理分布，點云密度的超標準完成。

(2)高精度的衛星定位基準站服務系統。

老道和王祥的假玉知識普及講座乍看之下就像是師徒授藝，旁人看起來也不會起疑。王祥本來想問問自己這批玉器的價值該如何分辨，但是很快就有客人上門，這事也就擱置下來了。

衛星定位基準站服務系統(CORS)中覆蓋整個攝區，能夠滿足本攝區對基站的使用需求，無須重新布設基站。本項目選取攝區內部及周邊的15個CORS站，調整采樣間隔為 1 Hz，滿足聯合解算需求。

(3)高精度的POS和IMU系統。

(4)所有點云大地高轉換1985高程基準參數精準。

基于POS輔助機載LiDAR技術獲取的點云數據，在通過POS與CORS站數據聯合解算后，得到的是CGCS2000坐標，高程基準是大地高。根據數據成果坐標要求，需將點云數據高程轉換至1985國家高程基準(正常高系統)，需通過加密轉換點的高程異常改正。具體做法如下：首先將攝區點云成果按照 3 km×3 km的格網間距求取高程異常，作為高程轉換參考點；再通過這些均勻分布的高程參考點，將所有點云歸算至1985高程基準；本攝區需轉換的參考點數約600個左右。

(5)DEM數據精度檢測使用的基礎系統與基礎數據獲取一致。

(6)點云數據的準確編輯。

6 展 望

機載激光雷達技術最主要的目的是獲取數字高程模型。隨著這一技術的進一步發展和完善，隨著用戶數量的增加，其應用領域將越來越廣。特別是隨著激光技術的進一步發展，將促進機載激光雷達技術的革新，譬如星載激光對地觀測技術。航空遙感領域未來的發展方向是多種傳感器的高度集成化與多數據源的融合處理，從而提高數據分類和目標識別的能力。

(1)數據后處理算法將更加成熟

軟件的完善和作業經驗的成熟度越來越高。

(2)各類數據源的融合發展前景遠大

在今后的研究中，若將影像數據、多光譜數據、高光譜數據、GIS數據等數據源和點云數據相互綜合融合及應用分析，充分利用各自的優勢，將會取得令人滿意的效果。

(2)作業和精度評價標準完善

機載激光雷達技術有了蓬勃的發展，相關作業的規范和技術標準日趨完善。

(3)應用領域的拓展

隨著機載激光雷達技術的不斷成熟，其應用領域將不僅僅局限于測量領域。可以為公路、鐵路、水利、環保等部門的設計提供高效的服務；對滑坡等地質災害實行監測和災害評估，對緊急災害事件(如地震、泥石流等災害)快速響應和評估；此外，將機載激光雷達系統獲得的高精度數字高程模型與地理信息系統、網絡等技術配合使用，可以為城市規劃、不動產、旅游、電力、電信等諸多部門提供服務。