機載激光雷達的標準化進展分析

郭玉芳，陳 浩*，巨小文，任 福

（1.自然資源部測繪標準化研究所，陜西 西安 710054；2.自然資源部陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，陜西 西安 710054；3.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079）

激光雷達技術(shù)具有高精度、高自動化、高效率等顯著優(yōu)勢，同時點云數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息為LiDAR數(shù)據(jù)的使用提供了更多的可能性[1-6]，但是LiDAR點云數(shù)據(jù)處理的算法、相關(guān)軟件以及激光雷達產(chǎn)品的規(guī)范性等方面仍制約著LiDAR 技術(shù)大范圍的普及性應(yīng)用[7-8]。我國在激光雷達技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用起步較晚，美國等發(fā)達國家在激光雷達領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用研究已有近二十余年的成功經(jīng)驗，在LiDAR的標準化領(lǐng)域也制定發(fā)布了相關(guān)標準。本文在梳理美國激光雷達標準化背景和發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，以USGS 頒布的《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》最新版本為例，從LiDAR數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面分析了機載LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)指標，探討了美國激光雷達新技術(shù)標準化的特點與優(yōu)勢，對于我國測繪地理信息新技術(shù)標準的研發(fā)和制定具有一定的借鑒和參考價值。

1 LiDAR標準化的背景

2003 年美國攝影測量與遙感學會制定發(fā)布了《LAS 規(guī)范》（1.0 版本），該標準為用戶提供一種開放、通用的數(shù)據(jù)格式，極大地推動了LiDAR數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用[9-10]。2009 年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）啟動了國家空間項目（National Geospatial Program，NGP），進行美國全境范圍的激光雷達數(shù)據(jù)獲取。NGP計劃管理的一個重要項目是美國三維高程計劃（3DEP）項目，其旨在獲取三維空間數(shù)據(jù)，目標是到2023 年底獲取全面覆蓋美國本土、夏威夷及其屬地的LiDAR 數(shù)據(jù)和覆蓋阿拉斯加地區(qū)的干涉合成孔徑雷達（InSAR）數(shù)據(jù)[11]。3DEP 項目LiDAR 數(shù)據(jù)采集與全國范圍的眾多數(shù)據(jù)生產(chǎn)商合作，出現(xiàn)了交付成果不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)集難以兼容、整體項目的分析處理異常困難等問題[12]，因而亟需制定一個基礎(chǔ)性的標準來規(guī)范美國全境激光雷達數(shù)據(jù)采集的最低技術(shù)指標和成果交付的統(tǒng)一格式和要求，以保障NGP整體數(shù)據(jù)的質(zhì)量和統(tǒng)一性。

LiDAR技術(shù)應(yīng)用實踐的需求推動了LiDAR標準化的發(fā)展，USGS 于2012 年8 月正式發(fā)布了《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》（以下簡稱LBS 規(guī)范）1.0 版本，系統(tǒng)全面地規(guī)范了機載LiDAR從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精度檢驗到成果交付的具體要求，為LiDAR技術(shù)的生產(chǎn)實踐和推廣應(yīng)用提供了很好的指導(dǎo)作用。該標準第一個版本發(fā)布之后迅速被美國的許多州、縣以及行業(yè)企業(yè)和數(shù)據(jù)生產(chǎn)商所接受，一些國家還將該標準作為本國制定激光雷達規(guī)范的基礎(chǔ)，成為了國際地理信息領(lǐng)域影響頗為廣泛的一個LiDAR基礎(chǔ)性標準[13-14]。

2 LiDAR標準化的歷程

測繪新技術(shù)的標準化并不是一蹴而就的，通常需要隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求不斷發(fā)展完善。美國激光雷達的標準化是隨著LiDAR 技術(shù)在NGP 應(yīng)用實踐，在近10 a 間不斷進行更新修改完善的過程。USGS 自2012年8月發(fā)布LBS規(guī)范1.0版本之后，隨后不斷進行了標準的更新和修訂，實現(xiàn)了對標準隨技術(shù)應(yīng)用實踐和需求的同步動態(tài)更新，LBS規(guī)范最新版本是2021年6 月發(fā)布的，各版本的發(fā)布時間和主要變化內(nèi)容具體見表1。

表1 激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范的版本簡況

3 LiDAR關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的標準化分析

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是保障LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是關(guān)系LiDAR技術(shù)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，同時亦是標準化的重點和難點所在。LBS規(guī)范對機載LiDAR的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理進行了較為詳細的規(guī)定，以下以LBS 規(guī)范的最新版本2021 Rev.A 為例，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面對機載LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和技術(shù)指標進行具體分析。

3.1 數(shù)據(jù)采集

激光雷達的數(shù)據(jù)采集在很大程度上受項目區(qū)的環(huán)境及許多其他因素的影響。為了保障3DEP 項目全國范圍內(nèi)激光雷達采集數(shù)據(jù)的一致性，LBS 規(guī)范主要規(guī)定了必須滿足的最低采集要求，包括采集區(qū)域與天氣條件、質(zhì)量等級、采集標準等作了相關(guān)要求，具體內(nèi)容如下：

1）采集區(qū)域和天氣條件。LBS規(guī)范規(guī)定數(shù)據(jù)采集的區(qū)域應(yīng)覆蓋感興趣區(qū)域并外擴100 m 的緩沖區(qū)域；天氣條件要求在無云霧且無雪的情況下進行，且地面尚未發(fā)生大面積洪水或其他類型的淹沒情況，植被覆蓋區(qū)應(yīng)首選在無葉條件下進行數(shù)據(jù)采集。在植被有葉情況下的數(shù)據(jù)采集工作在簽發(fā)任務(wù)單或合同之前應(yīng)得到USGS相關(guān)部門的批準。

2）質(zhì)量等級要求。LBS 規(guī)范將質(zhì)量等級（QL）分為4 級，規(guī)定從QL3 到QL0 數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越高，并對不同質(zhì)量水平級別做了相應(yīng)的質(zhì)量要求[15]，規(guī)定最低可接受額度質(zhì)量水平為QL2 級別，同時USGS 鼓勵3DEP項目的數(shù)據(jù)商采集提供高質(zhì)量水平的數(shù)據(jù)。

3）額定點云間距要求：總體額定點云密度（aggregate nominal pulse density, ANPD）和總體額定點云間距（aggregate nominal pulse spacing，ANPS）是衡量激光雷達點云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的重要參數(shù)。ANPD 是指定區(qū)域內(nèi)單位面積點云的典型或平均密度，通常表示為每平方米的點云數(shù)；ANPS 是激光雷達數(shù)據(jù)集中點云之間的典型或平均橫向距離，通常以米為單位。LBS規(guī)范對不同等級下的ANPD和ANPS作了具體的要求，見表3。其中，在QL2等級下，ANPD應(yīng)不低于每平方米2個點；ANPS應(yīng)不大于0.71 m；另外LBS規(guī)范特別指出特定的項目要依據(jù)當?shù)鼐唧w的地形和土地覆蓋條件，可能數(shù)據(jù)采集時需要更高的點云密度。

3.2 數(shù)據(jù)處理

機載LiDAR點云數(shù)據(jù)具有海量、高冗余、點云密度不均、非結(jié)構(gòu)化等特點，點云數(shù)據(jù)的處理是當前研究的重點和熱點問題，也是LiDAR標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。LBS 規(guī)范對點云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)性內(nèi)容如數(shù)據(jù)基準、精度檢驗、數(shù)據(jù)分類等方面的內(nèi)容進行了具體規(guī)定，主要技術(shù)要求如下：

1）數(shù)據(jù)基準。LBS規(guī)范對數(shù)據(jù)基準主要規(guī)定了點云的文件格式、時間基準、空間基準、坐標參考系等內(nèi)容。

2）精度檢驗。LBS規(guī)范規(guī)定在對點云數(shù)據(jù)進行分類和生成衍生產(chǎn)品之前，應(yīng)對點云數(shù)據(jù)的絕對高程精度和相對高程精度進行檢驗，并提供檢驗過程的詳細報告。

相對高程精度指在沒有地面測量控制點的情況下，激光雷達數(shù)據(jù)集內(nèi)部的幾何質(zhì)量。單點的精度計算公式為：

式中，Range 為每個像素中最高和最低激光雷達點云數(shù)據(jù)之間的差異，單位為m；Slope為指該單元相對于其8 個相鄰單元的最大坡度，以小數(shù)表示，由每個單元的最低高程計算；Cellsize為指單元格的邊長，單位為米，用ANPS 表示，經(jīng)四舍五入后向上取整，然后再加倍；CEILING 是一個將ANPS 向上取整的函數(shù)；1.414為計算像素對角線尺寸時的系數(shù)[13]。

最終精度應(yīng)以劃定樣本區(qū)域的面Shapefile文件形式進行報告。以每個柵格單元為樣本值，計算樣本區(qū)域Z 方向的均方根差（RMSDz）值是否超過規(guī)定采集QL等級的限制。QL2級別下，單幅內(nèi)精度和跨幅重疊一致性的RMSDz限值分別為≤0.06 m和≤0.08 m。

絕對高程精度、激光雷達數(shù)據(jù)及其衍生DEM的絕對高程精度應(yīng)根據(jù)ASPRS（2014）進行評估和報告。劃分為植被和非植被土地覆蓋類型分別評估其絕對高程精度。評估應(yīng)說明4 個絕對精度值：點云數(shù)據(jù)和DEM 各 自 的NVA （nonvegetated vertical accuracy，NVA）和VVA（vegetated vertical accuracy，VVA）。采用ASPRS 方法時，不同的質(zhì)量等級（QL）對數(shù)據(jù)的最低NVA 和VVA 要求不同，且需要同時滿足NVA 和VVA 的最低要求值。在QL2 質(zhì)量水平下，NVA 和VVA 在95%的置信度下的要求值分別為≤0.196 m 和≤0.30 m[13，15]。

3）數(shù)據(jù)分類。LBS規(guī)范規(guī)定了激光雷達數(shù)據(jù)必需的、最低的分類方案。在已分類的LAS 交付成果中，除非被標記為保留點外，任何點不允許分配為0 類。所有屬于最低分類方案且未被標記為保留點的點云都應(yīng)進行正確分類，可以根據(jù)特別的要求或目標添加新的分類，但需要特別注意的是，為了保證分類的連續(xù)性，整個項目中點的分類要保持一致[13]。

4 LiDAR標準化現(xiàn)狀及特點分析

與歐美等發(fā)達國家相比，我國在激光雷達技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用研究領(lǐng)域的起步較晚，LiDAR的標準化工作也相對滯后。原國家測繪地理信息局也曾頒布了少數(shù)激光雷達的相關(guān)行業(yè)標準，例如CH/T 8024-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》、CH/T 8023-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》等[14]。受限于我國標準化管理機制，這些標準在實踐中未能隨LiDAR技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的變化而及時更新，標準的適用性也非常有限。而在LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗和分級、LiDAR數(shù)據(jù)分類等關(guān)鍵技術(shù)方面，目前我國仍缺失相關(guān)的標準。

隨著我國實景三維建設(shè)的推進以及自動駕駛對高精度地圖市場需求的增長，LiDAR的標準化需求也愈加迫切。因此，筆者通過對近10 年USGS 發(fā)布的《激光雷達基礎(chǔ)規(guī)范》7 個版本的跟蹤和分析研究，認為USGS 在LiDAR 新技術(shù)標準的制定、更新以及應(yīng)用等方面具有顯著特點，其標準化的模式和思路對于我國研制測繪新技術(shù)標準具有很好的啟示作用，具體特點分析如下：

1）更新快速及時，靈活性好。從上文的分析可以看出，USGS 在2012 年8 月發(fā)布了LBS 規(guī)范1.0 版本，之后不斷更新修訂推出更高級版本，到2021年共發(fā)布了7個版本，且2020年之后版本的標識也發(fā)生了變化，版本標識按年和字母組合進行標識，意味著該標準的更新將更加及時快速，或?qū)崿F(xiàn)動態(tài)化更新。這既是LiDAR技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用的需求，也是新技術(shù)標準自身不斷完善的需求。這種靈活、快速、動態(tài)化的更新模式對于我國測繪新技術(shù)標準的發(fā)展具有很好的借鑒意義。

2）適用性好，保持與現(xiàn)有相關(guān)標準的協(xié)調(diào)性。LBS 規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容保持了與現(xiàn)有標準的高度協(xié)調(diào)性，例如點云數(shù)據(jù)格式采用美國攝影測量與遙感學會（ASPRS） 發(fā) 布 的《LAS 規(guī) 范》 version 1.4-R15（ASPRS,2011）中所規(guī)定的點云數(shù)據(jù)記錄格式中較為通用的數(shù)據(jù)格式；成果的精度分級保持了與DEM相關(guān)標準的一致；交付成果的元數(shù)據(jù)保持了與美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(FGDC)發(fā)布的《數(shù)字空間元數(shù)據(jù)內(nèi)容標準》（1998）的一致，同時還增加了反映LiDAR 特色的其他元數(shù)據(jù)內(nèi)容。該標準保持與現(xiàn)有相關(guān)標準的協(xié)調(diào)一致性，大大提高了該標準的市場適用性。

3）可操作性強，涵蓋了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到成果交付的全過程。LBS規(guī)范是一個全面系統(tǒng)的Li-DAR 技術(shù)規(guī)范，涵蓋了從LiDAR 飛行數(shù)據(jù)采集的要求、天氣條件、數(shù)據(jù)格式等，到數(shù)據(jù)處理的點云分類、定位精度檢驗、瓦片要求等，以及最終成果交付的內(nèi)容都進行了具體詳細的規(guī)定。與其他一些LiDAR數(shù)據(jù)處理規(guī)范僅僅側(cè)重于從LiDAR 點云數(shù)據(jù)生成DEM 不同的是。該標準著重強調(diào)了原始激光點云的處理過程，這樣可以保障在USGS NGP項目獲得完整的數(shù)據(jù)源包括元數(shù)據(jù)、特征線、質(zhì)量信息、描述性文檔和其他一些輔助數(shù)據(jù)，更好地支持LiDAR技術(shù)不同使用目的應(yīng)用。

4）成果按精度分級，內(nèi)容豐富，保障了LiDAR數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用。USGS 在LBS 規(guī)范中規(guī)定成果按精度分為4 個等級，不同等級的質(zhì)量和技術(shù)指標不同。成果類型豐富多樣，包括分類的點云數(shù)據(jù)、裸地球表面數(shù)字高程模型、全部的特征線及其相關(guān)元數(shù)據(jù)，這種多元化豐富的數(shù)據(jù)成果既凸顯了LiDAR 技術(shù)的優(yōu)勢，兼顧了不同部門對高程數(shù)據(jù)的不同需求，同時還實現(xiàn)了一次性數(shù)據(jù)的獲取，多部門數(shù)據(jù)的共享和重復(fù)利用，推動了地理信息資源價值的提升[14]，對于我國目前開展的實景三維中國建設(shè)具有很好的借鑒意義。

5 結(jié) 語

激光雷達作為近年來迅速發(fā)展起來的一門新興測繪技術(shù)，具有高精度、高自動化、高效率等傳統(tǒng)測繪無法比擬的優(yōu)勢，在當前我國智慧城市建設(shè)、資源調(diào)查監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。當前隨著實景三維、新型基礎(chǔ)測繪、自動駕駛高精度地圖等研究的開展，隨之LiDAR 的標準化需求也愈加迫切。本文在梳理分析美國LiDAR標準化背景和標準化歷程的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩方面對機載Li-DAR 標準化的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和技術(shù)指標進行具體分析，并探討了美國激光雷達新技術(shù)的標準化特點和優(yōu)勢，對于我國測繪地理信息新技術(shù)標準的研發(fā)和制定具有一定的參考價值。