车载激光扫描测量技术在数字高程模型成果高程精度检测中的应用分析

翟永聪 钟少忠

（广东省测绘产品质量监督检验中心，广东 广州 510075）

0.引言

现代城乡经济发展及基础建设日新月异，基础测绘项目生产及其更新任务繁重，新兴测绘方式层出不穷，测绘技术的提高使得基础测绘项目生产及其更新速度加快，同时也必然对成果质量检验效率与质量保障提出更高的要求，传统的以全站仪测量和GNSS-RTK 测量为主要手段的质量检测劳动强度大和作业效率低难以满足质检信息数据快速获取的需求。测绘质检机构将加快调整质检工作思路，与时俱进，研究自动化的、智能化的测绘质检手段。而车载激光扫描测量技术是测绘领域前沿技术之一，它实现了在高速移动中的快速测量，直接获取目标地物空间坐标和纹理等地理信息数据，具有数据处理自动化程度高、机动性高、数据结果直观、数据要素齐全、精度高的特点，适用于对各类测绘地理信息数据成果进行高效、快捷的质量检验服务。

本文通过介绍了车载激光扫描测量系统技术获取的点云数据，并结合外业GNSS-RTK 采集数据验证其高程绝对精度的可靠性和稳定性，分析验证点云数据应用于高程精度检测的可行性和有效性。研究结果表明：通过车载激光扫描测量技术方法检测与传统外业GNSS-RTK 检测方法在同一数字高程模型成果中高程精度的比对与分析，检测结果并无明显差异，但采用车载激光扫描测量系统的技术检测方式优势更加明显，基于车载激光雷达扫描技术方法可满足省级基础测绘大比例尺数字高程模型的质量检验。

1.点云数据高程精度验证方案

1.1 验证方案概述

为了验证车载激光扫描测量技术在质检中的可行性和有效性（如图1 所示），首先对车载激光雷达扫描系统点云成果数据进行精度评定及评估，是否满足检测相关规范规程的要求进行验证，然后结合广东省数字高程模型更新项目验收的检验过程，对DEM 高程精度检验结果进行精度分析及评估，最后以质量验证后可行的点云数据应用在广东省数字高程模型更新项目成果检测，以此来验证车载激光扫描测量高程精度检测方式的可行性和有效性比较分析两种方式的结果差异。

图1 点云数据精度验证流程图

1.2 样本检验选取

为了更好综合评定大范围、不同条件情况下车载激光扫描测量系统点云成果精度的可靠性与稳定性，选取了广东省数字高程模型更新项目某个批次数据作为试验区；抽取了其中一个批次的15 个样本，每个样本覆盖面积约为30km2，总面积约为450km2作为检验区域，检验覆盖区域面积达6000km2，涉及多种不同地类地形，有山地、平地、城市、城郊结合部及乡村，样本均匀分布体现不同地形地貌。抽取的样本与广东省数字高程模型更新项目抽样部分样本一致。

本文根据《测绘成果质量检查与验收》的规定，采用高精度检测方式进行高程精度中误差统计计算，中误差按以下公式计算：

式中，M 为成果中误差；n 为检测点（边）个数；Δi 为较差。

2.点云数据高程精度验证

2.1 点云数据获取

首先对基准站GNSS 和车载GNSS 流动站开机进行初始化，使其能够持续稳定地向激光扫描仪和IMU 提供时间历元。与此同时，开启IMU 使其有充足的时间完成对设备的校准。GNSS 和IMU 耗时10min 的静态初始化。当系统初始化工作完成后，激光扫描仪扫描平面与地面呈40°夹角，最大范围采集到路面及路边地物，作业过程中车载平台处于匀速低速行驶状态，时速为30km/h 左右，保证点云数据的均匀分布和必要密度，防止点云数据行距过大。车载激光扫描测量数据采集在样本的范围内按照提前设计好的路线进行采集，采集过程中道路中间有遮挡较严重的需要往返扫，以减少系统误差对点云数据精度的影响，同时为后期点云解算后组合检校参数求取提供数据支持。

2.2 点云数据处理

点云数据处理主要包括：数据格式转化、差分GNSS（DGNSS）计算、组合导航（DGNSS、IMU 与DMI）联合解算、激光扫描仪原始数据解码等。车载移动测量系统数据源的多样性，不同的数据源原始存储格式并不能完全被计算软件识别，将其格式进行转化才能有效识别；利用IE 组合导航解算软件在外业辅助提供基准站记录数据、仪器高等数据基础上进行差分GNSS（DGNSS）计算；组合导航数据解算整个数据解算过程是在IE 软件下完成，最终解算得到的航迹文件，记录了包括基准站大地坐标数据、GNSS 时间数据、高斯3°带下的东、北、高坐标，以及IMU 的航向角、俯仰角、翻滚角等数据；激光扫描仪原始数据解码是将激光扫描得到的原始数据中得到的角度信息、距离测量信息依据激光扫描仪工作原理，进行函数变化，得到扫描仪系统局部坐标系下极坐标的一个过程。整个数据解码过程通过激光扫描系统自带软件处理完成，包含激光点坐标、激光强度、UTC 时间等多重信息。

2.3 点云数据提取

数据采集完成后经过内业点云数据处理、点云数据融合及影像数据解算、点云解算、点云数据坐标转化得到所需点云数据，最后要对检查验证精度的情况，利用全站仪及GNSS-RTK 实测的同名特征点进行精度检查，对检测点进行自动或半自动提取等步骤，得到最终的检测点成果数据用于对测绘成果的数学精度检验等，三维点云空间数据（如图2所示）。通过自动或人工交互的方法在车载地面移动测量系统采集的点云数据分别提取不同距离上的指定地物特征点，通过GNSS-RTK 实测同名特征点，比较点云量测值与实测值中误差，验证车载激光点云数据成果的绝对精度和相对精度，以衡量车载地面移动测量系统采集的点云数据应用于测绘质量检验工作的有效性。

利用点云编辑软件进行特征点的选取和采集，对多种地物进行自动提取，主要有一级模型提取和二级模型提取，实现了分层分类和实体化，并且有几何属性，便于后期分析，如地物的长宽尺寸、面积、反射强度及三维空间坐标等信息，基于提取后的成果矢量可以根据自己需求进行编辑，最终生成按需提取的质检数据，局部特征点提取（如图3 所示）：

图2 点云数据

图3 特征点提取

2.4 点云数据精度检测分析及应用评估

为了更好对车载激光点云数据的绝对精度验证，根据外业GNSS-RTK 或全站仪实测的野外数据展点在点云软件上的样本图上，通过对实测点的点位的具体描述信息，准确有效地选择检测的点云目标点，要利用点云编辑软件进行特征点的选取和采集。

抽取的样本为分布广东某市15 块扫描区，其中每块测区覆盖面积约为30km2，利用GNSS-RTK 对每块样本区采集约30 个左右高程特征点，对车载移动测量系统采集到的点云数据同名点进行数学精度评价。经过统计计算（如表1 所示），15 块样本区域点云高程精度检测中误差均小于15cm。

内业采集比测点云数据共计377 个，样本检测平均高程中误差为0.079m，如按《城市测量规范》中对1∶500 地形图高程精度限差要求，以15cm 作为中误差限差（如表2 所示）。根据点云数据高程中误差统计分布情况，可以看出成果高程精度是远优于有关国家标准规范的要求，也远满足CH/T9008.2-2010《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字高程模型》的高程中误差精度要求。因此获取的点云成果可以用于检测大比例尺精度数字高程模型的基础测绘成果，为进一步研究应用于检测广东省数字高程模型更新项目成果提供了质量保证。

表1 成果中误差检测表 单位：m

表2 高程误差分布情况表

3.数字高程模型成果高程精度验收分析

随着时代的发展，建立高精度、高时空分辨率、高效率、高覆盖的省级数字高程模型数据库，成为国土测绘、城市规划、环境监测、防灾减灾、交通建设、电力建设、水利建设等各领域的迫切需求。

3.1 DEM数据成果概况

本文数据为验收项目“广东省数字高程模型更新项目”，项目生产时间为2018 年6 月至2019 年8 月，项目任务范围位于广东省中西部，完成1476 幅1∶2000 的5km×5km 分幅，约3.47×104km2。项目主要利用LiDAR 数据处理软件，对航飞执行单位获取的点云数据进行内业DEM 更新生产，最终生产出符合项目设计要求的数字高程模型更新成果数据，成果精度指标要求平地达到0.5m，山地1.5m。

3.2 DEM数据成果检验及高程精度检测

首先对数字高程模型成果开展质量检查，根据CH/T 1026-2012《数字高程模型质量检验技术规程》外业检验采用GNSS 接收机检验数字高程模型的位置精度；内业检验审查项目的文字资料包括专业技术设计书、专业技术总结、数字测绘成果检查报告、过程检查记录等，采用人机交互的方式检查DEM 成果的空间参考系、位置精度、逻辑一致性、栅格质量等。

外业检验根据GB/T 18316-2008《数字测绘成果质量检查与验收》要求抽取其1 批次作为样本试验范围，车载激光扫描的区域也与其一致，以30km2作为一个块图单位，共15块面积约450km2的1∶2000 的数字高程模型成果，以GNSSRTK 实测值在每块样本成果中均匀采集20-30 个高程检测点，与数字高程模型成果的同名点进行精度比对。

3.3 DEM成果高程精度评价

外业检测高程点均匀分布共计386 个，该成果数据检测结果（如表3 所示），从上述的DEM 成果精度指标平地为0.5m，山地为1.5m 为要求，其中地形以平地和山地类型平均各占半，样本检测中误差均小于标准中误差，平地平均中误差为0.12m，山地平均中误差0.104m（如表4 所示），由误差分布情况可以看出：成果高程精度远优于技术设计的0.5m要求，为后面用车载激光扫描系统技术方式检测与本项目成果研究及精度分析做好铺垫。

表3 成果中误差检测表 单位：m

表4 高程误差分布情况表

4. 点云数据在DEM 成果检测中高程精度研究分析

根据上述所得可知：本次研究的车载激光扫描测量系统获取的点云数据成果经过检验后高程精度是能够达到或优于高精度大比例尺DEM 成果高程精度的技术要求，而DEM成果也是经过验收后的成果，下面介绍点云数据成果应用于检测DEM 成果中的研究。

4.1 点云数据与DEM成果高程精度比对分析

前面介绍的用GNSS-RTK 外业检测车载激光扫描测量技术获取的点云成果共计377 个，样本检测平均中误差为0.079m；验收DEM 项目中内业检测数据高程点共计386 个，平地平均中误差为0.12m，山地平均中误差为0.104m。车载激光扫描测量技术生产的点云均匀随机抽取特征点与经过验收的数字高程模型项目研究高程分析。DEM 成果精度要求采用广东省数字高程模型更新项目的0.5m 技术要求，该成果数据检测结果（如表5 所示）：

内业检测点云数据均匀点共计285 个，其中粗差点有3个，经过内业数据核查发现实地已经发生变化了，样本检测中误差均小于标准中误差，高程平均中误差为0.50m（如表6所示）检测中误差为0.122m，由误差分布情况可以看出：成果高程精度远优于技术设计要求，最后可以证实点云数据检测DEM 项目与GNSS 外业检测得出最后精度情况，结论比对无明显异常和异样。

表5 成果中误差检测表 单位：m

表6 高程误差分布情况表

4.2 车载激光点云与RNSS-RTK两种方式的比对分析

经过研究分析同样的外业比较方法与DEM 更新项目对比，验证过的点云数据随机均匀提取的数据再与相同GNSSRTK 验证过的DEM 样本区块研究分析，检验结果发现采用以上两种方法检测结果基本一致（如图4 所示）。基于车载激光雷达扫描技术方式，经自动或人工提取后，点云数据成果技术方法完全能满足现阶段质检省级基础测绘中的高精度大比例DEM 产品高程精度的质量技术要求。

如果5km×5km 每个图幅内检测特征点按采用常规GNSS-RTK 的方式，检测20-50 个均匀分布的特征点工作量大约需要2 个人为一组/天，但随着检测点数增加所需的时间相应增加；而车载测量系统无间断一天可扫描面积约30km2，每幅图的人工处理1h，计算机处理6h，提取所有特征点具有可扩展性及重复利用，扫描样本越大越多优势越明显，这样部分外业检验工作可以转移到室内工作，改善了工作环境、降低了工作强度及提高了安全系数；大大减少了质量检验周期，提高质检工作效率，减轻外业工作时间和人力成本，符合目前对地理信息成果现势性极高的需求。还可以在事前、事中获取的检验数据应用于过程成果质量筛查，避免因测绘成果质量存在重大缺陷而导致的整个项目整改重造，进而保证了成果质量，保障项目成果按质交付，增强了测绘地理信息成果应用的现势性。

图4 两种检测方式比对结果

5.结束语

本文介绍了车载激光扫描测量系统的构成及原理，重点分析了车载激光扫描测量系统技术获取的点云数据处理及其验证高程精度质量情况；结合数字高程模型验收项目的应用方面检验流程及高程精度分析；最后通过验证的点云数据应用在检测其DEM 项目中高程精度比对分析，探究了利用车载激光扫描测量点云数据在数字高程模型成果等测绘成果中的质检的可行性和有效性。研究结果表明：基于车载激光雷达点云数据的制作技术路线可行、数学精度高，检验结果证明成果精度能符合检验高精度大比例尺数字高程模型成果高程精度的质量要求，在测绘质检相关领域有巨大的技术优势及应用前景。能为质检等有关部门在传统测绘成果建设、省级基础测绘数据生产等重大项目测绘成果等方面可以作为质量检验技术服务。

在研究过程中发现仍有一些问题需要解决，为进一步地研究目标与方案指明了方向。例如，如何整体提高点云最终成果精度，GNSS 卫星信号覆盖弱的区域，精度如何得到更好提高改正以及整个操作过程较为复杂对作业员的整体素质要求较高等问题；从点云利用方面考虑，针对目前的点云成果在质检本身的需求如何更好地分级与分类利用，更好服务质检工作；点云成果的目标地物自动分类及影像目标纹理地提取正确率及成功率，为了进一步地研究目标与方案，以最终目标达到质检高效自动化。