机载LIDAR在测量中的高程精度验证及误差来源

韩江 王晓玲 宁长春 许爱华 大庆油田设计院 塔里木油田分公司

机载LIDAR在测量中的高程精度验证及误差来源

韩江1王晓玲2宁长春2许爱华21大庆油田设计院 2塔里木油田分公司

机载LIDAR数据可以生成高精度的DEM(数字高程模型)、等高线图，还可以结合同步获取的影像生产DLG，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性。通过广东测区和新疆测区激光点云高程精度检核发现，在相同的航摄参数和数据处理方法下，点云高程精度主要受测区条件的影响，在平地上点云高程精度基本上与仪器的标称精度接近，在山区高程精度较低，但都满足测绘规范对高程精度的要求。为提高基于LIDAR点云产生的DEM精度，就需要在特定区域适当增加点云密度，并且提高点云分类精度。

机载LIDAR；GPS测量；RTK；高程精度；误差

机载LIDAR（Light Detection and Ranging）系统是一种主动式对地观测系统，是20世纪90年代初投入商业应用的一门新兴技术。它集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元（IMU）/DGPS差分定位技术和数码相机于一体，在三维空间信息的实时获取方面实现了重大突破，为获取高分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段[1]。它与其他遥感技术相比具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短和精度高等特点。机载LIDAR数据可以生成高精度的DEM（数字高程模型）、等高线图，还可以结合同步获取的影像生产DLG，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性。

由于机载LIDAR数据具有高程精度更高的特点，本文结合实际生产项目，对应用机载LIDAR技术生产的DEM高程精度进行论述。

1 机载LIDAR系统高程精度验证

1.1 机载LIDAR系统设备

本文涉及的项目使用的机载LIDAR是徕卡的ALS60系统。系统标称精度见表1。

表1 ALS60系统标称精度

1.2 实际生产项目的航摄主要参数

本文结合广东某测区和新疆某测区的数据情况，对机载LIDAR技术生产的DEM高程精度进行论述。广东测区地形为丘陵、山地，植被茂密，新疆测区主要位于戈壁，地形平坦，植被稀疏。广东某测区和新疆某测区的航摄主要参数见表2。

表2 广东某测区和新疆某测区的航摄主要参数

1.3 高程精度

（1）广东项目高程精度检查采用外业RTK实测的方法，共检查高程点100个，粗差率为0，中误差为±0.23 m。

（2）新疆项目同样采用外业GPS—RTK实测的方法，依据成图区域内的首级GPS控制点，针对抽检的53幅图实地测量其坐标和高程。内业将实测点展绘到DEM上进行平面位置和高程比对，从而得到高程的较差。依据《测绘成果质量检查与验收（GB/T24356—2009）》进行误差统计，得出高程中误差的平均值为±0.14 m，最大值为0.37 m。

2 误差来源分析

两个项目的航摄参数基本相同，理论上高程精度应趋于一致，而实际上新疆测区的高程精度好于广东测区。对这种情况进行如下分析。

2.1 激光脚点平面精度对DEM高程精度的影响

如图1所示，激光点云脚点的真实位置为（Xo，Yo，Zo），而由LIDAR系统测出的位置为（X，Y，Z），这两者本身就存在一个误差Ez=ZZo；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Eδ。所以在山区激光脚点平面精度对高程精度的影响更大，使得广东测区DEM的高程精度较低。

2.2 点云分类精度对DEM高程精度的影响

点云的分类精度对DEM高程精度也会造成较大影响，尤其是在植被茂密地区，由于激光脚点往往落在植被上，使得在地面上的激光脚点较少，不能很好地反映实际地形，从而造成DEM高程精度降低[2]。另外地物较多也会增加点云分类的难度，最终使得DEM高程精度降低。广东测区植被茂密、地形复杂、地物较多，也是广东测区DEM高程精度不及新疆测区的因素之一。

图1 激光脚点位置误差示意图

2.3 激光点云的特点对DEM高程精度的影响

机载LIDAR系统扫描获取的点云密度虽然非常高，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[3]。因此，激光点云数据在地形特征处总是表现出一定的误差。

3 结语

通过广东测区和新疆测区激光点云高程精度检核发现，在相同的航摄参数和数据处理方法下，点云高程精度主要受测区条件的影响，在平地上点云高程精度基本上与仪器的标称精度接近，在山区高程精度较低，但都满足测绘规范对高程精度的要求。点云精度主要受到定位误差的影响，同时也受到地形特征变化、地面反射物、后处理软件分类和滤波误差的影响。所以在实际生产中，为提高基于LIDAR点云生产的DEM精度，就需要在特定区域适当增加点云密度，并且提高点云分类精度。

[1]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.

[2]常君锋，周琪．机载雷达（LiDAR）系统应用与高程检测[J]．广东公路勘察设计，2010（1）：41-42.

[3]张云端，禄丰年．数字高程模型DEM精度研究[J]．测绘与空间地理信息，2007，30（3）：120-123.

（0459）5902312、han_river@126.com

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.006

韩江：2005年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，现在大庆油田设计院勘察工程部工作。