王 煒

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.國家測繪局陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，陜西西安710054)

利用機(jī)載LiDAR測繪大比例尺數(shù)字地形圖的精度分析

王 煒1，2

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.國家測繪局陜西測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，陜西西安710054)

通過分析機(jī)載LiDAR進(jìn)行數(shù)字地形圖測繪的工藝流程，闡述各個流程的誤差，進(jìn)而闡述誤差分布的規(guī)律、機(jī)載LiDAR的使用范圍。

機(jī)載LiDAR;數(shù)字地形圖;誤差來源;誤差估算

一、引 言

機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)是利用安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測和測距系統(tǒng)，實現(xiàn)快速獲取高精度數(shù)字地面模型和地面物體三維坐標(biāo)的空間信息獲取技術(shù)。LiDAR技術(shù)采用集成激光測距技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、慣性導(dǎo)航測量(IMU)/差分定位(DGPS)技術(shù)來獲取飛機(jī)的瞬時位置和激光掃描儀的姿態(tài)，具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)獲取周期短、精度高等特點，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性，因此引起了測繪界的濃厚興趣。利用LiDAR成圖有可能為測繪行業(yè)帶來一場新的技術(shù)革命。

傳統(tǒng)測繪地形圖的方法有(電子)平板測圖和(數(shù)字)航空攝影測量測圖。通過對不同行業(yè)的測量規(guī)范(電子)平板測圖和(數(shù)字)航空攝影測量測圖的誤差分析，在大量試驗、應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合本行業(yè)要求，制定了相應(yīng)的地形圖精度要求。《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)制定的地形圖精度要求如表1、表2所示。由于公路勘測設(shè)計中大量使用的是1∶2000比例尺的地形圖，因此本文以1∶2000比例尺的地形圖精度要求(如表3、表4所示)為例，對利用機(jī)載LiDAR測繪數(shù)字地形圖進(jìn)行精度分析與評價研究。

表1 圖上地物點的點位中誤差 mm

表2 等高線插值的高程中誤差

表3 1∶2000地物點的點位中誤差 m

表4 等高線插值的高程中誤差 m

上述誤差僅僅考慮了測圖比例尺和地形類別等因素的影響，如果要考慮植被因素的影響，則要復(fù)雜得多。而對于現(xiàn)階段逐漸推廣應(yīng)用的機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖方法的精度，本文通過以下分析與傳統(tǒng)的平板測圖和航空攝影測量進(jìn)行比較。

二、機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖的原理和作業(yè)流程

機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖的基本原理如下:

1)進(jìn)行航空LiDAR掃描，得到地表的點云和彩色數(shù)字像片。由于點云數(shù)字采集過程中進(jìn)行了慣性導(dǎo)航測量和GPS的空地聯(lián)測，因此采集的點云具有空間三維坐標(biāo)。點云間的間距根據(jù)需要確定，測繪1∶2000地形圖通常使用2 m的間距。

2)剔除非地面點云后，經(jīng)過一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到地面的點云，即具有三維工程坐標(biāo)系坐標(biāo)的地面點。

3)將處理完成的點云通過構(gòu)建三角網(wǎng)，即數(shù)字地面模型，內(nèi)插生成等高線。

4)將數(shù)字等高線圖與正射影像圖進(jìn)行疊加，生成等高線正射影像圖，然后在等高線正射影像圖中繪制地物、建筑物、地貌、水系、管線、植被、分類界、道路等，形成初步的線劃地形圖。

5)利用初步的線劃地形圖到實地進(jìn)行調(diào)繪，調(diào)查并編輯地物、建筑物、地貌、水系、管線、植被等的屬性及相關(guān)數(shù)據(jù)和名稱，并根據(jù)需要的間距自動標(biāo)注高程點，形成線劃地形圖。

綜上所述，可將機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖的流程歸納如圖1所示。

圖1 機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖工藝流程

三、數(shù)字測圖的誤差來源

根據(jù)《公路勘測規(guī)范》(JTG C10—2007)的規(guī)定，平板測圖和航空攝影測量測繪的地形圖的平面位置精度要求相同。根據(jù)機(jī)載LiDAR的測圖原理，利用該方法測繪數(shù)字地圖的平面坐標(biāo)和航空攝影測量也基本相似，因此本文著重討論高程誤差方面的問題。

平板測圖、航空攝影測量和機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖的高程誤差主要由以下幾個方面組成。

1.像控點誤差或者點云獲取的誤差(mD)

機(jī)載LiDAR點云獲取誤差來源于慣性導(dǎo)航測量誤差、GPS空地聯(lián)測誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差的聯(lián)合影響。通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，該部分誤差可以達(dá)到常規(guī)測圖中的像控點或者圖根點的精度水平，為測圖基本等高距的1/10。1∶2000地形測圖時該方面的具體數(shù)值如表5所示。

表5 1∶2 000地形圖像控點、點云獲取的高程中誤差m

2.地形概括誤差(mG)

該部分誤差與采集的地形點間距和地形起伏有關(guān)，常規(guī)方法測繪1∶2000地形圖時，要求地形點間距不大于50 m?！豆房睖y細(xì)則》(JTG/T C10—2007)規(guī)定“梯田應(yīng)以等高線配合梯田坎表示，兩坎間距在圖上小于5 mm或坎高小于1/2等高距時可進(jìn)行取舍”，因此可以取1/2等高距作為地形概括的誤差，1∶2000地形圖的地形概括誤差如表6所示。

表6 1∶2000地形圖地形概括高程中誤差

機(jī)載LiDAR測繪1∶2000地形圖時，一般要求點云間的間距不大于2 m，即實測的地形點相當(dāng)密集。處理實際數(shù)據(jù)，可以利用點云高程的變化求出每一個地形特征線。因此機(jī)載LiDAR測圖時該部分誤差相對于常規(guī)測圖要小得多，以點云間距2 m、地形起伏為10°估算，則由于地形概括而引起的誤差為±0.18 m，這集中在微丘、重丘和山嶺區(qū)，而平原地區(qū)則不存在該方面的問題。

3.地形點平面位移引起的高程誤差(mY)

常規(guī)測圖方法中，由地形圖平面位移引起的高程誤差與地形概括誤差基本相同，因此可取地形概括誤差作為由地形點平面位移引起的高程誤差。而機(jī)載LiDAR測繪地形圖時，地表的三維坐標(biāo)是同時獲取的，因此該部分誤差可以忽略不計。

4.植被影響引起的誤差(mZ)

平板測圖時，由于是實地測量，該部分誤差可以忽略不計。但航空攝影測量和機(jī)載LiDAR測圖時，該部分的影響有時比較大。下面以離散型植被、稀疏型植被(指植被間有間隙，但立體像片上不容易分辨)、密集型植被分別進(jìn)行討論。

1)離散型植被對航空攝影測量影響較小，對機(jī)載LiDAR測圖幾乎沒有影響。

2)稀疏型植被對航空攝影測量有非常大的影響，但對機(jī)載LiDAR測圖影響很小。進(jìn)行航空攝影測量時，該部分的影響一般就是野外調(diào)繪時植被高度的目視估計誤差。

3)密集型植被對航空攝影測量和機(jī)載LiDAR測圖均具有很大的影響，進(jìn)行航空攝影測量時，該部分的影響和稀疏型植被基本相同，對機(jī)載LiDAR測圖可能達(dá)到植被高的1/2。

四、數(shù)字測圖的高程精度誤差估算及精度研究

1.高程精度誤差估算

根據(jù)上述誤差來源分析，平板測圖、航空攝影測量和機(jī)載LiDAR數(shù)字測圖的高程精度總誤差分別計算如下

式中，MLiDAR總以點云間距為2 m、地形起伏為10°進(jìn)行估算。

2.機(jī)載LiDAR測圖精度案例分析

以秦嶺腹地某高速公路漢中至南鄭段機(jī)載LiDAR 1∶2000數(shù)字地形圖測繪成果為例，采用全站儀外業(yè)散點法與GPS RTK實時差分定位技術(shù)相結(jié)合的方法檢測平面點736個，高程點1141個，檢測點的選取按植被覆蓋類型予以區(qū)分。平面和高程中誤差按照《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/ T 18316—2008)統(tǒng)計計算。平面精度檢測中誤差為±1.04 m，本文不再贅述。高程精度如表7所示，平面、高程精度檢測結(jié)果均符合規(guī)范要求。

表7 高程點檢測精度統(tǒng)計

五、結(jié) 論

1)沒有植被或只有離散型植被的地區(qū)，高程精度較高，其中在沒有植被的地區(qū)高程精度最高，因為激光脈沖的反射信號最強(qiáng)，點云的過濾與分類較易識別。此種情況下，丘陵和山區(qū)機(jī)載LiDAR測圖的精度大大高于平板測圖和航測成圖精度，特別是在重丘和山嶺區(qū)，同樣細(xì)小的溝渠和溝坎處，機(jī)載LiDAR測圖精度明顯優(yōu)于平板測圖和航測成圖精度。

2)當(dāng)植被覆蓋從稀疏向密集過渡，密集到航測內(nèi)業(yè)無法截取地面高程，但仍然有適量的點云可以穿透植被到達(dá)地面時，其航測成圖的精度比平板測圖和機(jī)載LiDAR測圖精度要低，有時甚至低很多。因為航測成圖的植被高度一般是由野外調(diào)繪人員估計的，由于實地植被高度參差不齊，有時相差很大，因此植被高度估計誤差某些情況下還是比較大的，有時甚至相差10～20 m，這種情況在我國絕大部分地區(qū)存在。

3)當(dāng)?shù)孛娓采w密集型植被，隨著植被高度由低到高，機(jī)載LiDAR測圖高程精度的誤差也隨之增大。這是由于植被的茂密程度和高度越大，對激光信號的吸收程度和散射程度越大，能穿透植被到達(dá)地面的點就越少，從而所能采集的地面激光點數(shù)就越少，點云的過濾與分類較困難，從而導(dǎo)致覆蓋有密集型植被的區(qū)域高程精度降低。植被的密度及高度對機(jī)載LiDAR成圖精度的影響比其他因素的影響要大得多，特別是覆蓋有高大植被的地區(qū)。當(dāng)然這是相對的，從高程誤差的估算公式和案例分析看，其他測量方法相對于機(jī)載LiDAR測圖而言，植被的影響還要大得多。

［1］ 張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2007.

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［4］ 黨建軍，黃文元，黃愛華.我國公路改擴(kuò)建工程勘測方法對比分析［J］.公路，2011(3):84-86.

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［8］ 中華人民共和國交通部.JTG/T C10—2007公路勘測細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 18316—2008數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)版社，2008.

Accuracy Analysis of Surveying Large Scale Digital Topographic Maps Using Airborne LiDAR

WANG Wei

0494-0911(2012)06-0034-03

P217

B

2011-06-02

王 煒(1977—)，男，陜西蒲城人，工程師，主要研究方向為測繪質(zhì)量檢驗的理論與應(yīng)用。