利用机载LiDAR测绘大比例尺数字地形图的精度分析

王 炜

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.国家测绘局陕西测绘产品质量监督检验站，陕西西安710054)

利用机载LiDAR测绘大比例尺数字地形图的精度分析

王 炜1，2

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.国家测绘局陕西测绘产品质量监督检验站，陕西西安710054)

通过分析机载LiDAR进行数字地形图测绘的工艺流程，阐述各个流程的误差，进而阐述误差分布的规律、机载LiDAR的使用范围。

机载LiDAR;数字地形图;误差来源;误差估算

一、引 言

机载激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)是利用安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，实现快速获取高精度数字地面模型和地面物体三维坐标的空间信息获取技术。LiDAR技术采用集成激光测距技术、计算机技术、惯性导航测量(IMU)/差分定位(DGPS)技术来获取飞机的瞬时位置和激光扫描仪的姿态，具有自动化程度高、受天气影响小、数据获取周期短、精度高等特点，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，因此引起了测绘界的浓厚兴趣。利用LiDAR成图有可能为测绘行业带来一场新的技术革命。

传统测绘地形图的方法有(电子)平板测图和(数字)航空摄影测量测图。通过对不同行业的测量规范(电子)平板测图和(数字)航空摄影测量测图的误差分析，在大量试验、应用经验的基础上，结合本行业要求，制定了相应的地形图精度要求。《公路勘测规范》(JTG C10—2007)制定的地形图精度要求如表1、表2所示。由于公路勘测设计中大量使用的是1∶2000比例尺的地形图，因此本文以1∶2000比例尺的地形图精度要求(如表3、表4所示)为例，对利用机载LiDAR测绘数字地形图进行精度分析与评价研究。

表1 图上地物点的点位中误差 mm

表2 等高线插值的高程中误差

表3 1∶2000地物点的点位中误差 m

表4 等高线插值的高程中误差 m

上述误差仅仅考虑了测图比例尺和地形类别等因素的影响，如果要考虑植被因素的影响，则要复杂得多。而对于现阶段逐渐推广应用的机载LiDAR数字测图方法的精度，本文通过以下分析与传统的平板测图和航空摄影测量进行比较。

二、机载LiDAR数字测图的原理和作业流程

机载LiDAR数字测图的基本原理如下:

1)进行航空LiDAR扫描，得到地表的点云和彩色数字像片。由于点云数字采集过程中进行了惯性导航测量和GPS的空地联测，因此采集的点云具有空间三维坐标。点云间的间距根据需要确定，测绘1∶2000地形图通常使用2 m的间距。

2)剔除非地面点云后，经过一系列坐标转换，得到地面的点云，即具有三维工程坐标系坐标的地面点。

3)将处理完成的点云通过构建三角网，即数字地面模型，内插生成等高线。

4)将数字等高线图与正射影像图进行叠加，生成等高线正射影像图，然后在等高线正射影像图中绘制地物、建筑物、地貌、水系、管线、植被、分类界、道路等，形成初步的线划地形图。

5)利用初步的线划地形图到实地进行调绘，调查并编辑地物、建筑物、地貌、水系、管线、植被等的属性及相关数据和名称，并根据需要的间距自动标注高程点，形成线划地形图。

综上所述，可将机载LiDAR数字测图的流程归纳如图1所示。

图1 机载LiDAR数字测图工艺流程

三、数字测图的误差来源

根据《公路勘测规范》(JTG C10—2007)的规定，平板测图和航空摄影测量测绘的地形图的平面位置精度要求相同。根据机载LiDAR的测图原理，利用该方法测绘数字地图的平面坐标和航空摄影测量也基本相似，因此本文着重讨论高程误差方面的问题。

平板测图、航空摄影测量和机载LiDAR数字测图的高程误差主要由以下几个方面组成。

1.像控点误差或者点云获取的误差(mD)

机载LiDAR点云获取误差来源于惯性导航测量误差、GPS空地联测误差和坐标转换误差的联合影响。通过适当的技术手段，该部分误差可以达到常规测图中的像控点或者图根点的精度水平，为测图基本等高距的1/10。1∶2000地形测图时该方面的具体数值如表5所示。

表5 1∶2 000地形图像控点、点云获取的高程中误差m

2.地形概括误差(mG)

该部分误差与采集的地形点间距和地形起伏有关，常规方法测绘1∶2000地形图时，要求地形点间距不大于50 m。《公路勘测细则》(JTG/T C10—2007)规定“梯田应以等高线配合梯田坎表示，两坎间距在图上小于5 mm或坎高小于1/2等高距时可进行取舍”，因此可以取1/2等高距作为地形概括的误差，1∶2000地形图的地形概括误差如表6所示。

表6 1∶2000地形图地形概括高程中误差

机载LiDAR测绘1∶2000地形图时，一般要求点云间的间距不大于2 m，即实测的地形点相当密集。处理实际数据，可以利用点云高程的变化求出每一个地形特征线。因此机载LiDAR测图时该部分误差相对于常规测图要小得多，以点云间距2 m、地形起伏为10°估算，则由于地形概括而引起的误差为±0.18 m，这集中在微丘、重丘和山岭区，而平原地区则不存在该方面的问题。

3.地形点平面位移引起的高程误差(mY)

常规测图方法中，由地形图平面位移引起的高程误差与地形概括误差基本相同，因此可取地形概括误差作为由地形点平面位移引起的高程误差。而机载LiDAR测绘地形图时，地表的三维坐标是同时获取的，因此该部分误差可以忽略不计。

4.植被影响引起的误差(mZ)

平板测图时，由于是实地测量，该部分误差可以忽略不计。但航空摄影测量和机载LiDAR测图时，该部分的影响有时比较大。下面以离散型植被、稀疏型植被(指植被间有间隙，但立体像片上不容易分辨)、密集型植被分别进行讨论。

1)离散型植被对航空摄影测量影响较小，对机载LiDAR测图几乎没有影响。

2)稀疏型植被对航空摄影测量有非常大的影响，但对机载LiDAR测图影响很小。进行航空摄影测量时，该部分的影响一般就是野外调绘时植被高度的目视估计误差。

3)密集型植被对航空摄影测量和机载LiDAR测图均具有很大的影响，进行航空摄影测量时，该部分的影响和稀疏型植被基本相同，对机载LiDAR测图可能达到植被高的1/2。

四、数字测图的高程精度误差估算及精度研究

1.高程精度误差估算

根据上述误差来源分析，平板测图、航空摄影测量和机载LiDAR数字测图的高程精度总误差分别计算如下

式中，MLiDAR总以点云间距为2 m、地形起伏为10°进行估算。

2.机载LiDAR测图精度案例分析

以秦岭腹地某高速公路汉中至南郑段机载LiDAR 1∶2000数字地形图测绘成果为例，采用全站仪外业散点法与GPS RTK实时差分定位技术相结合的方法检测平面点736个，高程点1141个，检测点的选取按植被覆盖类型予以区分。平面和高程中误差按照《数字测绘成果质量检查与验收》(GB/ T 18316—2008)统计计算。平面精度检测中误差为±1.04 m，本文不再赘述。高程精度如表7所示，平面、高程精度检测结果均符合规范要求。

表7 高程点检测精度统计

五、结 论

1)没有植被或只有离散型植被的地区，高程精度较高，其中在没有植被的地区高程精度最高，因为激光脉冲的反射信号最强，点云的过滤与分类较易识别。此种情况下，丘陵和山区机载LiDAR测图的精度大大高于平板测图和航测成图精度，特别是在重丘和山岭区，同样细小的沟渠和沟坎处，机载LiDAR测图精度明显优于平板测图和航测成图精度。

2)当植被覆盖从稀疏向密集过渡，密集到航测内业无法截取地面高程，但仍然有适量的点云可以穿透植被到达地面时，其航测成图的精度比平板测图和机载LiDAR测图精度要低，有时甚至低很多。因为航测成图的植被高度一般是由野外调绘人员估计的，由于实地植被高度参差不齐，有时相差很大，因此植被高度估计误差某些情况下还是比较大的，有时甚至相差10～20 m，这种情况在我国绝大部分地区存在。

3)当地面覆盖密集型植被，随着植被高度由低到高，机载LiDAR测图高程精度的误差也随之增大。这是由于植被的茂密程度和高度越大，对激光信号的吸收程度和散射程度越大，能穿透植被到达地面的点就越少，从而所能采集的地面激光点数就越少，点云的过滤与分类较困难，从而导致覆盖有密集型植被的区域高程精度降低。植被的密度及高度对机载LiDAR成图精度的影响比其他因素的影响要大得多，特别是覆盖有高大植被的地区。当然这是相对的，从高程误差的估算公式和案例分析看，其他测量方法相对于机载LiDAR测图而言，植被的影响还要大得多。

［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］ 武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础［M］.武汉:武汉大学出版社，2003.

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［4］ 党建军，黄文元，黄爱华.我国公路改扩建工程勘测方法对比分析［J］.公路，2011(3):84-86.

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［6］ 罗志清，张惠荣，吴强，等.机载LiDAR技术［J］.国土资源信息化，2006(2):20-25.

［7］ 中华人民共和国交通部.JTG C10—2007公路勘测规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［8］ 中华人民共和国交通部.JTG/T C10—2007公路勘测细则［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［9］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 18316—2008数字测绘成果质量检查与验收［S］.北京:中国标准版社，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 炜(1977—)，男，陕西蒲城人，工程师，主要研究方向为测绘质量检验的理论与应用。