基于机载LIDAR点云数据的数字高程模型精度分析

李 佳 　 方 爱

(杭州市勘测设计研究院,浙江 杭州　310012)

数字高程模型(DEM)是对地球表面地形起伏的一种离散的数字表达，是地理信息系统的核心数据库及地学分析的基础数据，是目前最重要的地球信息三维基础产品，在经济、国防和科技上具有广泛的不可替代的作用[1]。获取DEM的常见数据源有航空航天影像及地形图数据等[1]，而机载激光雷达测量技术的出现为获取DEM提供了新的途径。机载激光雷达测量技术是一种先进的集成测量技术，具有很好的发展前景[2]，它可以直接获取测区三维坐标点云数据，具有速度快、精度高的优势，已成为目前DEM数据生产的最重要的数据源之一。DEM数据质量的优劣直接影响到地理信息系统各种分析结果的准确性和正确性，进而影响到地理信息系统和测绘信息工程的成败[3]。DEM数据质量及其精度成为DEM数据生产者和使用者普遍关心的问题。本文针对以LIDAR点云数据为数据源而生产制作的DEM，提出了DEM数据精度分析方法，并分区域采集离散点，对分析结果进行验证。

1　DEM生产方法及误差来源

1.1　DEM生产方法

DEM生产制作方法依赖于采用的数据源，以机载LIDAR点云数据为数据源生产DEM一般包括了点云数据分类、孤立点剔除、TIN构建、格网插值等步骤。对LIDAR航摄成果进行预处理，转换成CGCS2000高斯平面坐标系，然后进行粗分类，再结合基础地形图和影像数据，采用手动交互方式进行详细分类，按分类要求放置层、色。对点云分类成果按1∶500分幅标准进行裁切，并进行格式转换，存为DGN格式点云数据，根据似大地水准面精化成果将CGCS2000椭球高转换为水准高程。在地理信息系统软件中，将DGN格式的点云数据转为ArcGIS格式，并根据分类的属性，提取地面点，作为数字高程模型制作的数据源。利用地理信息软件工具，如ArcToolBox，生成TIN，然后根据设计确定的格网间距生成DEM。

1.2　误差来源分析

DEM来源于LIDAR点云数据，而且在点云数据的基础上进行了高程系统的转换。DEM生成的过程中，根据格网间距，在不规则点云的基础上，进行了插值。所以DEM的高程误差来源于三个方面：点云数据本身的高程(大地高)误差；高程系统转换的误差，即似大地水准面精化误差；以及插值对DEM高程精度的影响。

2　LIDAR点云高程精度分析

2.1　点云高程的理论精度分析

LIDAR点云数据为大地高高程系统，DEM成果为正常高系统，DEM格网点的高程精度表征了DEM成果的高程精度。

表1　LIDAR点云数据大地高高程精度

设平地某点高程为HE，大地高为HN，内插的高程异常为ζ，则：

HE=HN-ζ。

由表1可知，以平地区域为例，大地高的中误差为±10.0 cm。似大地水准面精化的精度为±1.0 cm，按照中误差传播率，可得高程中误差：

那么点云数据转换为正常高高程后，其理论精度为±10.05 cm。

2.2　点云高程的实际精度

为了获知实际高程中误差，从分布在不同区域的地形图上选择了40个道路上的高程点，并比较了水准高程值和通过似大地水准面精化成果计算的高程值，如表2所示。

表2　水准高程与GPS拟合高程较差计算

则点云数据正常高高程的精度为±11.2 cm。

3　DEM高程精度估算

DEM格网点高程是由点云点高程内插而得，如图1所示。

如图1所示，显然最弱点位于P1和P2的中间，则PE点高程内插计算如下：

根据中误差传播率，可计算出PE的中误差：

则DEM(格网点)高程精度为±13.7 cm。

4　结语

以LIDAR激光点云分类数据为基础，充分利用1∶500基础地形图数据，内插地形特征点和特征线，构建不规则三角形网(TIN)，

制作高精度数字高程模型。本文对DEM高程精度进行分析和估算，为DEM数据的生产者和使用者提供了重要的参考。但是本文采用的精度分析方法还存在一定的局限性，可能对分析结果会有一定的影响。一是在区域选择上，还应该选择一些丘陵和山区点参与分析；二是检验点的高程是从地形图上量取，可以采用实测进一步提高精度。这些方面都是以后工作的方向。