机载LIDAR点云高程数据精度检核及误差来源分析

2009年 2月 第 7卷第 1期 地理空间信息 GEOSPATIAL INFORMATION Feb.,2009 Vol.7,No.1 机载 LIDAR点云高程数据精度检核及 误差来源 赵礼剑 1，2，程新文 1，李英成 2，陈 刚 1，聂小波 3 (1. 中国地质大学 信息工程学院，湖北 武汉 430074；2. 中国测绘科学研究院，北京 100039； 3. 湖北省基础地理信息中心，湖北 武汉 430071） 摘 要：利用 GPS RTK 系统对点云高程数据进行质量检核，通过对检核数据的分析，得出实际测量中不同地形情况下 LIDAR测高数据能达到的精度，并分析了误差的来源。 关键词：机载激光雷达；GPS测量；RTK；精度检核；误差来源 中图分类号：P228.42 文献标志码 : B 文章编号 : 1672-4623 (2009) 01-0058-03 Accuracy Check and Analysis of LIDAR Elevation Data ZHAOLijian1,2，CHENGXinwen1，LIYingcheng2，CHENGang1，NIEXiaobo3 (1.SchoolofInformationEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China； 2.ChinaAcademyofSurveyingandMapping，Beijing100039，China； 3.ProvincialGeomaticsCenterofHubei,Wuhan430071,China) Abstract: Inthispaper, weascertainedtheaccuracythroughGPSRTKsystem, andthengave theaccuracyofLIDARdataindifferentterrainanddiscussedtheerrorsources. Key words：LIDAR; GPSsurvey; RTK; accuracycheck; errorsource 收稿日期：2008-10-29 项目来源：国家测绘局地理空间信息工程重点实验室基金资助项目 (200719)。 机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LI- DAR）系统是一种主动式对地观测系统，该系统是激 光测距技术、高精度动态载体姿态测量技术和高精度 动态 GPS差分定位技术迅速发展的集中体现。激光测 距技术已从最初的有反射棱镜的测距仪系统发展到无 合作目标的激光测距系统。机载激光扫描测高传感器 发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取真 实地面的高精度三维地形信息，与其他遥感技术相比， 机载 LIDAR 系统具有自动化程度高、受天气影响小、 数据生产周期短、精度高等技术特点，具有传统摄影 的优越性。周期性模式，作业简单，在实际应用中比 较多；连续性模式精度高，硬件成本高，在滑坡实际 监测应用中比较少。 2）采用 GPS 天线阵列技术建立的实时在线监测 系统，通过在某个电站地滑坡测试明，这种技术可 以大大地减少硬件成本，又可以达到 mm级监测精度， 满足变形监测的要求，非常有实际意义。 3）采用 GPS 天线阵列技术建立实时在线监测系 统，主要通过无线传输网络，可以将各个监测区域的 温度、地下水和地表水等滑坡变形因变量集成在一起， 提高滑坡分析预报实时性，大大提高了滑坡安全监测 的管理水平。 参考文献 [1] 文海家，张永兴，柳源．滑坡预报国内外研究动态及发展趋 势[J]．中国地质灾害与防治学报，2004，15(1):1-2 [2] 李征航.GPS定位技术在变形监测中的应用 [J].全球定位系 统，2001，26(2):18-25 [3] 李征航，张小红，徐晓华.隔河岩大坝外观变形 GPS自动监 测系统的精度评定[J].哈尔滨工程高等专科学校学报，2000， 11(3):1-6 [4] 王卫东，夏丽，寇珊珊,等．边坡变形监测技术分析 [J]．山东 水利，2003(12):36-37 [5] 邹双朝.GPS天线阵列变形监测系统的研究及实现[D].武汉： 武汉大学，2007 第一作者简介：俞得响，助理工程师，从事水工程管理与滑坡 安全监测方面的研究。 第7卷第1期 59 测量方法无法取代的优越性，引起了测绘界的浓厚兴 趣 [1、2]。 1 机载LIDAR系统对地定位原理 机载 LIDAR 系统的主要组成部分如图 1所示 [3、4]： ①动态差分 GPS接收机，用于确定扫描投影中心的空 间位置；② 姿态测量装置，用于测量扫描装置主光轴 的空间姿态参数；③ 激光扫描测距系统，用于测量传 感器到地面点的距离；④ 成像装置（现在主要是数码 相机），用于获取对应地面的彩色数码影像，制作正射 影像或其他专题图。 图 1 机载 LIDAR组成示意图 机载 LIDAR系统在进行航摄时，由差分全球定位 系统确定传感器在空中的三维精确位置，姿态测量装置 （IMU）测定飞机的仰俯角、侧滚角和航向角，由激光 测距仪直接测量地形起伏情况。其对地定位原理为 [5]: 假设传感器在空中的投影中心G点的三维坐标（XG , YG , ZG）已知，传感器投影中心到待定点 P（XP , Y P , ZP）的矢量 S可以精确测出，那么根据矢量求解原 理可以求出待定点 P的三维坐标。 式中， 传感器在空中的投影中心 G点的三维坐标（XG，Y G，ZG）由差分 GPS提供；传感器空中姿态参数（ ，，） 由 IMU 提供， 为激光测距点 P 对应的像元与扫描周 期内中间像元（即所谓的机下点）之间的夹角，由激光 扫描器给出。上述 X0，Y0，Z0， ， ， ， ，S 均为已 知，那么即可求出任意待定点Pi的三维坐标（Xi，Yi，Zi）。 2 机载LIDAR点云高程精度检查 尽管机载激光扫描测高系统技术日新月异，但对 于用户来讲，作为一种新技术，用户更关心的是系统 的稳定性和能达到的精度，能不能满足具体需要 [2]。常 用方法是采用常规测量手段野外实地测量，再与激光 点云数据比对，得出 LIDAR高程精度。 2.1 湖北山区某测区 激光飞行相对航高约 3 000 m，地面激光点间距约 2.3 m，测区地形复杂，地势起伏较大。采用 GPS RTK 系统在测区比较平坦宽阔的区域或道路中线实地测量， 共测量了 41个野外点。因为这些区域起伏不大，没有 突变，可以认为这些地方的高程是呈线性变化的。然 后搜索这些实测点周围范围 5 m内的激光点云数据，通 过平面来拟合线性内插 [9] 的方式计算出测点处的点云 高程。希望通过这个方法减小平面误差的影响，同时 检查结果也能很好地反映由激光点云数据生成的DEM 的精度（即检查生成的产品的精度，并非单纯的仪器 的标称精度）。点云高程误差分布区间如表 1所示。 表 1 湖北测区点云高程误差分布区间表 区间/m 个数 <-1 0 -1～-0.5 2 -0.5～ 0 5 0～ 0.5 28 0.5～ 1 3 1～ 1.5 3 通过对误差的分析，发现有以下规律：“+”误差 有 34个，而“-”误差只有 7个，存在系统误差，误差 较大（绝对值大于 1 m）的检核点共 3个。 在选取的 41个观测样本中：有 11个检核点分布在 比较宽阔平坦的地方，检核点差值绝对值最大为 0.339m， 中误差为± 0.227 m；12个分布在路面上及其他较平坦 的地区，检核点的绝对值差值最大为 0.71 m，中误差 为± 0.370 m；8个分布在地形变化较大的区域，检核 点中误差为± 0.934 m。 2.2 浙江某测区 激光飞行相对高度约 1 500 m，点云最大点间距 2 m × 2 m，测区地形，以平地和丘陵为主。采用 GPS 在 测区内共测量约 120个野外检核点。在精度检核上，利 用点云数据构三角网曲面获取任意处的高程值，得到 检核点对应的激光点云高程值，整个过程由 TerraSolid 软件自动完成。点云高程误差分布区间如表 2所示。 赵礼剑等：机载 LIDAR点云高程数据精度检核及误差来源分析 地理空间信息60 第7卷第1期 表 2 浙江测区点云高程误差分布区间表 区间/m 个数 <-0.4 14 -0.4～-0.2 39 -0.2～ 0 30 0～ 0.2 29 0.2～ 0.4 8 >0.4 0 检核点差值绝对值最大为 0.86 m，中误差为± 0.25m， 其中“-”83个，带有明显的系统误差，误差较大的点 分布在丘陵等地形复杂的区域。 3 误差来源分析 宽阔平坦地区和较平坦地区的检核点中，都有少 部分点的差值绝对值较大，对于山坡上的点，误差都 比较大，对误差较大的点进行分析，以查找误差的来 源 [2] [6] [7] [8]。 3.1 二类高程误差的影响 如图 2 所示，激光点云脚点的真实位置（实际不 知道）为（Xo，Yo，Zo），而由激光扫描推算出的位置 为（X，Y，Z），这两者本身就存在一个误差 Ez =Z-Zo； 当在地面起伏较大或者有一定的坡度时，由于平面定 位误差的存在，造成二类高程误差 E。 Z Exy （X,Y,Z） Ez （Xo,Yo,Zo） E XY 激光束 斜坡 图 2 二类高程误差示意图 在两个测区选择的观测样本中，地表起伏较大的 区域（如山坡）的检核点误差都比平地上检核点的误 差要大许多，尤其是湖北测区，主要是受到二类高程 误差（平面误差引起的高程误差）的影响。 3.2 同地面特征地物的影响 机载 LIDAR系统扫描获取的点云密度非常高，但 激光扫描具有相当大的盲目性，不可能像常规测量中 一样，在陡坎边缘等地形变化处采集数据。因此，激 光点云数据在地形特征处总是表现出一定的误差，如 图 3圆圈所示。 图 3 地形变化处点云断面图 3.3 其他误差来源 激光点具有一定的穿透力，但不能完全穿透树林 到达地面，同时由于穿透时多次反射，也造成了距离 测量的误差，影响点云的高程误差。后处理中人们设 计了一定的规则对获取的数据进行滤波分类，提取有 用的数据（如地形、植被数据等）。因此，地形条件， 地物密集程度和复杂程度，地物空间尺度和高度，激 光脚点的密度等各种因素都会影响激光雷达滤波算法 的效果，造成滤波分类误差。 4 结 语 通过湖北测区和浙江测区激光点云高程精度检核 发现，在不同航高下，点云高程精度相差比较大，航 高越高精度越差，在平地上点云高程精度基本上与仪 器的标称精度相符合；点云精度主要受到二类高程误 差的影响，也就是定位误差的影响，同时受到地形特 征变化，地面反射物，后处理软件分类、滤波误差的 影响。 参考文献 [1] 刘经南.激光扫描测高技术的发展与现状[J].武汉大学学报： 信息科学版，2003，28(2)：132-136 [2] 张小红.机载激光扫描测高数据滤波及地物提取[D]. 武汉： 武汉大学，2002 [3] 李树楷.机载/车载激光扫描测距/成像制图系统的新进展[J]. 中国图像图形学报，1999，4(2):89-93 [4] 廖丽琼.地面激光雷达的数据处理及其精度分析 [J].四川测 绘，2004,12：153-155 [5] 尤红建.激光三维遥感数据处理及建筑物重建 [M].北京：测 绘出版社，2006 [6] 刘经南.影响机载激光扫描测高精度的系统误差分析 [J]武 汉大学学报：信息科学版，2002，27(2)：111-117 [7] 刘少创.机载三维成像仪的定位原理与误差分析 [J].测绘学 报，1999，28（2）：121-127 [8] 刘少创.机载激光测距-扫描成像制图系统的定位原理与误 差分析[J].武汉测绘科技大学学报，1998，24（2）：124-128 [9] 陈刚.山区LIDAR高程精度野外检验的一种新方法[J].测绘 通报，2008,2:41-43 第一作者简介：赵礼剑，博士研究生，研究方向为机载 LIDAR 数据处理。