机载激光雷达数据获取质量检查与评定方法探讨

许耿然,朱紫阳

(广东省国土资源测绘院,广东广州 510500)

机载激光雷达数据获取质量检查与评定方法探讨

许耿然∗,朱紫阳

(广东省国土资源测绘院,广东广州 510500)

为对机载激光雷达数据获取成果的生产质量进行有效控制，合理评价机载激光雷达数据获取成果的质量，针对目前该成果的质量评价缺乏相应标准的现状，在国家现有规范的基础上，采用错漏扣分法，设计了一套比较完整的扣分标准，探讨了该成果的质量检查与评定方法；并通过某项目应用实例，验证了该方法的合理性、有效性，为机载激光雷达数据获取的成果质量检查与评定提供参考。

机载激光雷达；质量元素；质量评定

1 引 言

机载激光雷达(Light Detection and Ranging,简称LiDAR)是集激光测距、CCD航摄相机、POS定位定向系统于一体,为高度集成的新型测量系统,作为精确、快速的地球表面三维测量方法已获得广泛认同及应用,取得大量的研究成果[1～2],已形成若干相应技术标准[3～4]。当前研究成果主要是针对数据获取、生产以及过程质量控制[5～7],但是对其质量检查与评定方面的研究相对较少,国内还没有形成一套有效的质量检查和质量评定体系。目前有关测绘成果的质量检查与评定有两个规范,即《测绘成果质量检查与验收》(GB/ T 24356-2009)和《数字测绘成果质量检查与验收》(GB/T 18316-2008),前者涉及航空摄影影像数据获取成果的质量评定,后者为4D数字测绘成果的检查验收标准,但都未涉及LiDAR数据获取成果的质量检查与评定。如何对LiDAR数据获取成果进行质量检查和质量评定,是目前业内所关注的问题。本文结合实际生产中LiDAR数据获取成果的质量检查工作实践,探讨其质量检查与评定方法。

2 质量元素及权重

按照国家标准,航空摄影各种成果的质量元素为飞行质量、影像质量、数据组织、附件质量4个方面[8]；另一方面,根据行业标准,LiDAR数据获取成果的质量控制内容包含数据文件、POS数据、地面GPS基站数据、点云数据、影像数据5个方面[3]。为了合理评价LiDAR数据获取成果的质量,根据机载激光雷达数据获取的成果质量特性及技术流程,参考现行的《测绘成果质量检查与验收》及相关规范[3～4,9～10],在总结机载激光雷达数据获取生产实践的基础上,以合理控制为出发点,着重考虑LiDAR数据获取成果的质量要求,设计了该成果质量元素、检查项、质量元素的权重及质量错漏分类方法。

质量元素主要包括6个方面的内容:即飞行质量、影像质量、点云质量、POS质量、数据组织、附件质量。其中,除点云质量外,其他5种质量在《测绘成果质量检查与验收》中已有相近的检查内容与标准,但部分需要进行改进。

(1)飞行质量包括的检查项有:航摄设计(航高、航速、重叠度)及执行情况,航摄范围覆盖,像点最大位移值,激光参数设置(脉冲频率、扫描频率),设备初始化,IMU误差控制等是否符合规定要求。

(2)影像质量包括的检查项有:影像分辨率的正确性,影像色调是否均匀、反差是否适中,影像清晰度,影像外观质量(噪声、云块、污点等)等是否符合规定要求。

(3)点云质量包括的检查项有:点云密度,点云间距均匀度,点云精度,点云噪声,航带拼接等是否符合规定要求。

(4)POS质量包括的检查项有:基站架设质量,基站与POS数据采集,POS数据解算基站使用的正确性,偏心分量使用的正确性,POS解算精度,检校场布设等是否符合规定要求。

(5)数据组织包括的检查项有:原始数据正确性,文件命名、数据组织和数据格式的正确性、规范性,存储数据的介质和规格的正确性,数据内容的完整性等是否符合规定要求。

(6)附件质量包括的检查项有:附件资料的完整性、正确性等是否符合规定要求。

LiDAR数据获取成果的质量元素及权重设计如表1所示,各质量元素的错漏分类设计如表2所示。

质量元素及权重 表1

质量错漏分类表 表2

3 质量评定

3.1 扣分标准

在进行质量评定时,以航摄区或航摄分区为批成果,质量错漏分为A、B、C、D四类,采用百分制错漏扣分法进行质量评定。其中A类、B类、C类、D类错漏扣分标准分别为42分/处、12分/处、4分/处、1分/处。

3.2 评分方法

若参照普通航空摄影直接以“片”为单位,或参照摄影测量与遥感直接以“幅”为单位进行成果质量评定,均不恰当；考虑到LiDAR数据获取的特殊性,设计了以航摄区或航摄分区为批成果进行质量评定。当然,由于有时航摄区或航摄分区的范围较大,存在单个航摄区或航摄分区内超过3个B类错漏的情况,根据文献[8],若概查中发现A类错漏或3个B类错漏,即被判定为不合格。而实际上,大范围摄区存在3个B类错漏是可以接受的,故可设计采用等效图幅作为单位成果进行质量评定,等效图幅的计算方法如下:

假定航摄区或航摄分区面积为P,计划成图比例尺的单幅图面积为A,则航摄区或航摄分区的等效图幅数:

将质量元素得分预置为100分,根据相应质量元素中出现的错漏逐个扣分,得到质量元素得分值:

式中nBi、nCi、nDi分别为该质量元素对应的B类、C类、D类错漏总数。

式中pi为相应质量元素的权重。

需要强调,按照上述计算成果质量元素得分值需满足下述条件:成果中未出现A类错漏；成果高程精度检测、平面位置精度检测及相对精度检测,任一项粗差比例均不超过5%；质量元素质量得分不低于60分。为避免成果错漏的集中效应,还需对航摄区或分区按计划成图图廓建立格网,格网内任何质量元素的B类错漏应少于3个。

4 应用实例

为检核本文提出的质量检查与评定方法的合理性和有效性,结合生产实践,将本方法应用于广东某地区的LiDAR数据获取任务的质量检查中。该摄区面积约1 700 km2,作业区范围及航线设计如图1所示,计划成图比例尺为1∶2 000的3D产品,采用运-5携带Trimble公司的Harrier68i系统对该区域进行机载激光雷达数据采集,主要技术参数如表3所示。

图1 作业区范围及航线设计

数据获取主要技术参数 表3

由具有丰富检查经验的人员组成5个检查组,先结合个人经验,按照传统方法,独立对整个航摄成果进行质量检查与评定；再按照本文设计的方法对成果进行全面质量检查与评定。然后将上述5个检查组的检查结果与本文设计方法的检查结果进行比对,比对结果见图2。其中专A、专B、专C、专D、专E为5个检查组按照传统方法评定结果形成的曲线,“本文方法”为按照本文设计的方法对成果进行全面质量检查与评定形成的曲线。从图2可以看出,5个检查组的结论曲线偏离不大,说明检查组的结论趋于一致,可作为二者比对的依据；再看5个检查组的结论曲线,与本文设计方法的结论曲线,基本上也是一致的,说明本文设计的评定方法是稳定可靠的。利用本质量评定方法所得出的结论,得到了下工序的验证,也得到了业主的充分肯定,从另一个侧面验证了该方法的合理性和有效性。

图2 质量评定曲线图

5 结 语

信息化测绘时代对机载激光雷达数据获取的需求越来越大,本文针对LiDAR数据获取质量检查与质量评定缺少相应标准的现状,参考有关研究成果,根据现行的有关标准,结合工作实践,制定了LiDAR数据获取成果质量检查与质量评定方法,并验证了该评定方法的合理性、有效性,为LiDAR数据获取的成果质量检查与评定提供参考。

[1] 林明华.机载激光雷达点云数据处理理论与应用研究[D].武汉：武汉大学，2008.

[2] 张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

[3] CH/T 8024-2011.机载激光雷达数据获取技术规范[S].

[4] CH/T 8023-2011.机载激光雷达数据处理技术规范[S].

[5] 王师，周晓翠，陆小艺.浅析机载激光雷达测量误差及数据质量控制[J].红水河，2011，30(5)：156～159.

[6] 王师，周晓翠.机载激光雷达数据处理质量控制与解决方案探讨[J].红水河，2012，31(3)：91～95.

[7] 王国飞.机载激光雷达作业流程中的质量控制方法研究[D].青岛：山东科技大学，2009.

[8] GB/T 24356-2009.测绘成果质量检查与验收[S].

[9] GB/T 27919-2011.IMU/GPS辅助航空摄影技术规范[S].

[10] GB/T 27920.1-2011.数字航空摄影规范第1部分：框幅式数字航空摄影[S].

A Quality Checking and Evaluation M ethod for Data Acquisition of Airborne LiDAR

Xu Gengran,Zhu Ziyang
(Institute of Lands and Resource Surveying and Mapping of Guangdong Province,Guangzhou 510500,China)

For the airborne LiDAR data to obtain results for effective control of production quality and reasonable evaluation of airborne LiDAR data quality of the results obtained,the results for the current lack of appropriate quality assessment criteria situation in the country on the basis of existing norms,mistakes deductionmethod used to design a setof relatively complete deduction standards,discusses the results of the quality of the inspection and evaluation methods. Through a project application example shows that themethod is reasonable,effective for the airborne Laser radar data acquisition and evaluation of the results of quality checks to provide a reference.

airborne LiDAR；quality element；quality evaluation

1672-8262(2013)06-85-04

P237

B

2013—07—02

许耿然(1968—),男,高级工程师,主要从事测绘生产技术管理工作。