侯國瑞

（亞太遙感（山西）科技有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

機(jī)載LiDAR是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。它集成了激光掃描儀、IMU、GPS和數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備[2]。激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展較為迅速，尤其是需要大面積作業(yè)的新疆、植被比較茂密的諸多南方城市以及國家電網(wǎng)等更新周期較短的大型項目等，LiDAR作為獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已經(jīng)得到廣泛地認(rèn)同。機(jī)載LiDAR采集的原始點云數(shù)據(jù)具有分架次、呈條帶狀組織、信息豐富等特點[4]，因此數(shù)據(jù)量是比較龐大的，需現(xiàn)場第一時間對原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，隨后進(jìn)行質(zhì)量檢查。如果發(fā)現(xiàn)異常，則需重新解算或者補(bǔ)飛，以免后期出現(xiàn)設(shè)備離場后需再返場的局面。激光點云質(zhì)量元素包括點云質(zhì)量、IMU/GNSS質(zhì)量、飛行質(zhì)量以及附件質(zhì)量，本文主要基于煤航航飛質(zhì)檢軟件就點云質(zhì)量以及部分飛行質(zhì)量做簡單描述。點云質(zhì)量檢查的具體內(nèi)容包括點云屬性、點云密度、點云噪聲、條帶相對高程差、點云精度（包括點云的平面精度和高程精度）。部分飛行質(zhì)量包括飛行速度、航帶重疊度、覆蓋完整性、航跡、航高保持、飛行姿態(tài)等。

1.檢查依據(jù)

以廣東某激光數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)檢查依據(jù)為：《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》CH/T 8024-2011、《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》CH/T 8023-2011、《IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》GB/T 27919-2011[1]等行業(yè)規(guī)范以及項目設(shè)計書。

2.檢查指標(biāo)

（1）密度：點云密度不少于2.73點/平方米，計算密度時以末次回波（含單次回波）為準(zhǔn)。

（2）重疊度：平均航線旁向重疊達(dá)到20%，最小優(yōu)于13%；丘陵、山地及建筑物密集地區(qū)，適當(dāng)加密航線。如此可保證無數(shù)據(jù)漏洞，同時點云密度也可得到保證。

（3）邊界及接邊：旁向、航向覆蓋要求超出省界不少于500米；旁向、航向覆蓋要求超出非省界不少于250米。

（4）構(gòu)架航線：每個分區(qū)布設(shè)2條構(gòu)架航線；航高與分區(qū)航高基本保持一致。

3.點云精度

點云數(shù)據(jù)高程中誤差和平面中誤差（如表1所示）規(guī)定：

表1 點云數(shù)據(jù)精度要求 單位：米

4.數(shù)據(jù)檢查方法

利用煤航機(jī)載LiDAR航飛質(zhì)量檢查軟件LiDAR-DC以及Terrasolid對激光數(shù)據(jù)的點云密度、點云噪聲、航線重疊度、航線彎曲度、單航線高差、飛行姿態(tài)、航線間高差等進(jìn)行檢查計算，輸出最終檢查報告。

5.點云質(zhì)量

5.1 點云屬性完整性

點云的屬性信息除了平面坐標(biāo)和高程以外，原始解算得到的點云信息還包括GPS時間、回波、反射強(qiáng)度、掃描角度、航帶、顏色、原始類別、分組等[4]，后期檢查分析這些信息是否存在信息缺失、異常等現(xiàn)象。此次項目數(shù)據(jù)后期檢查發(fā)現(xiàn)部分夜航激光點云缺失強(qiáng)度信息，后經(jīng)多次重新解算才得以解決，導(dǎo)致后期激光點云處理工作返工。因此時刻總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)是我們工作重要的一部分。檢查點云數(shù)據(jù)回波信息是否正常，比如房屋邊沿處應(yīng)有首次回波、中間回波、末次回波，平地?zé)o植被覆蓋處回波類型應(yīng)為唯一回波。檢查激光點云的掃描方向是否矛盾，掃描角度是否正常，邏輯是否合理[4]，如發(fā)現(xiàn)有點云信息錯誤或者丟失的問題，應(yīng)分析其原因，并提出解決方案。

5.2 點云噪聲%%

噪聲點是明顯遠(yuǎn)離地面的離散點或點群，或高于地面，或低于地面，但實際工作中經(jīng)常也會遇到從上到下穿插地面的密集噪點，這些點對后期處理會產(chǎn)生一定影響，應(yīng)當(dāng)剔除。

根據(jù)噪聲點的特殊性，使用Terrasolid軟件自動分類功能，設(shè)置參數(shù)，探測地面等可剔除大部分噪聲點。然后通過人機(jī)交互處理的方式再將剩余噪聲點剔除。在考慮地形的前提下利用質(zhì)檢軟件將明顯異常的點云進(jìn)行統(tǒng)計，確定是否滿足要求。

一般情況，由于系統(tǒng)原因產(chǎn)生的噪聲，都比較容易辨別，因為噪聲點明顯脫離地面點群，比較離散，數(shù)量也較少，都是零星的幾個或者幾十個，離散的正常噪聲點（如圖1所示）。根據(jù)實際工作中水域部分比較容易有噪點，高于或低于水面，數(shù)量或多或少，但一般情況這類噪聲點占比較少，去噪后，不會影響點云整體的密度，也不會對地形、地物等造成缺失，可以理解為正常噪聲[4]。但實際工作中經(jīng)常會遇到非正常噪聲，此項目中在后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理刪除水面密集噪點后，出現(xiàn)了水域岸邊點云有漏洞的情況，導(dǎo)致返場補(bǔ)飛。由于云、霧、煙遮擋等原因產(chǎn)生的噪點則比較集中、密集，去噪后會產(chǎn)生數(shù)據(jù)漏洞，需要根據(jù)漏洞大小進(jìn)行補(bǔ)飛或采取其他措施。對于這種情況產(chǎn)生的點云漏洞，外業(yè)人員其實相當(dāng)有經(jīng)驗，現(xiàn)場會安排補(bǔ)飛。

圖1 離散的正常噪聲點

5.3 點云密度

檢驗方法：設(shè)置軟件參數(shù)，統(tǒng)計航帶覆蓋面積和本區(qū)域范圍內(nèi)激光點數(shù)，通過點云密度=激光點數(shù)/覆蓋面積計算輸出航帶點云密度。構(gòu)架航線獨立檢測。LiDAR-DC支持全自動點云密度檢查，按照密度進(jìn)行點云渲染，并根據(jù)給定閾值2.73，對密度不合格區(qū)域生成矢量線進(jìn)行標(biāo)示。（如圖2所示），紅色值表示小于給定閾值，綠色值表示高于或滿足給定閾值。

圖2 激光點云密度檢查報告

當(dāng)點云密度不符合要求時，可利用點云與影像套合，分析原因：屬于瀝青路面、煤堆、水域等地物反射率較低引起的，則認(rèn)為點云合理缺失；由于云煙遮擋，地形起伏，設(shè)備故障等引起的點云大量缺失，須補(bǔ)飛或重飛，成果判定為不合格。該軟件提供了人機(jī)交互功能輔助交互式手工檢查，可單獨測量出除去水域等合理缺失部分區(qū)域的激光點密度，使檢查結(jié)果更為精確。由于水域原因引起的密度不符合要求，可以計算得出去除水域部分的激光點密度（如圖3所示）。經(jīng)軟件檢測此條帶激光點云整體密度小于2.73，但除去水域部分點云后，多邊形內(nèi)的激光點云計算得到的密度為2.84。此密度值大于2.73，則認(rèn)為其點云密度也是滿足要求的。

圖3 %手動去除水域部分的激光點密度

5.4 條帶間相對高程差%

條帶間相對高程差檢查是對兩條航帶間的點云高程精度進(jìn)行自動檢查。系統(tǒng)對重疊條帶自動提取同名特征點，并對其相對高程進(jìn)行計算分析。高程中誤差應(yīng)小于項目激光點云高程精度要求。高程差檢查報告（如表2所示），同樣，輸出報告中綠色表示滿足給定的閾值要求，紅色的表示不滿足要求，針對不滿足精度要求的激光點在激光點軟件中讀入激光點，逐一檢核點云剖面圖，并改正。經(jīng)檢查，如果兩次飛行時間間隔較長，比如數(shù)月甚至跨年，繼而出現(xiàn)的建筑新建或拆除，植被生長或凋零等引起的超過設(shè)定閾值，則為正常范疇。此項目出現(xiàn)較多這種情況。

表2 航帶間高程差檢查報告 單位：米

5.5 航帶拼接相對平面中誤差

檢查方法主要為人機(jī)交互檢查，利用Terrasolid軟件，讀取相鄰航帶（此項目也包括同航帶的兩個掃描激光頭）間的重疊區(qū)域有規(guī)則地物部分的激光點云，設(shè)置為不同顏色，分析剖面，量取平面偏移是否小于平均點云間距（選擇有影像、易辨別地物為同名點，如，人字形屋頂邊界），平面位置中誤差應(yīng)小于平均點云間距。此次質(zhì)檢平面最大限差為1.2米。

5.6 點云的絕對精度

點云絕對精度（預(yù)處理后點云數(shù)據(jù)的平面、高程精度）的檢測方法：首先確定外業(yè)檢測樣本量，以25平方公里作為一個塊圖單位，計算每次提交成果折合塊圖單位總批量，然后按《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》GB/T24356-2009確定樣本量。此項目覆蓋測區(qū)，均勻選取5公里×5公里驗證區(qū)30個。其次，內(nèi)業(yè)人員在測區(qū)內(nèi)均勻選取比較適合外業(yè)測取的平面、高程精度驗證點的概略位置，盡量選取交通便捷的位置，使外業(yè)測取人員能安全方便抵達(dá)，平面驗證點一般選取道路交叉口、水泥坎角、低矮房屋的房角等；實際采點中盡量選擇看上去近期不會拆除、翻新等的房屋，避免出現(xiàn)所采點的位置在激光點上找不到（浪費采點）的情況，高程精度驗證點宜選在平坦硬化的路面或水泥地面上。外業(yè)測量人員根據(jù)內(nèi)業(yè)人員提供的概略位置進(jìn)行實地測點，并提供給內(nèi)業(yè)質(zhì)檢人員實測點坐標(biāo)成果以及每個點對應(yīng)的位置照片成果。最后，由內(nèi)業(yè)質(zhì)檢人員根據(jù)實測點檢測激光點云的絕對精度。

平面精度的檢驗方法：利用Terrasolid軟件，讀取外業(yè)采集的平面驗證區(qū)的點（一般為低矮房屋等房角點），與對應(yīng)位置的激光點一一驗證，不滿足精度要求的位置需核實原因，其原因通常有以下兩種情況：GPS信號問題引起的外業(yè)測點位置異常、激光點本身的問題。

高程精度的檢驗方法：在攝區(qū)內(nèi)選擇攝區(qū)四周、四角邊緣處、航線首末端、攝區(qū)內(nèi)部平坦區(qū)域、航帶間重疊區(qū)域、構(gòu)架航線與飛行航線交叉處均勻布設(shè)檢測點（每個樣本約30個），統(tǒng)計點云高程精度。運(yùn)用Terra輸出激光點云與野外實測離散高程點點位高差統(tǒng)計報告。輸出的高程精度報告（如圖4所示）：

圖4 高程精度報告

6.飛行質(zhì)量

對照航攝合同和航攝規(guī)范，核查設(shè)計數(shù)據(jù)精度指標(biāo)選取的符合性、地面分辨率選擇的正確性、點云密度設(shè)計的符合性、航攝分區(qū)劃分的正確性以及飛行速度、航高、激光使用頻率、掃描頻率、使用視場角、地面基站、航線敷設(shè)、航攝時間、航攝設(shè)備、IMU/GPS處理軟件的合理性[4]。

6.1 覆蓋完整性

將抽稀讀取的點云數(shù)據(jù)對照攝區(qū)、分區(qū)邊線，檢查邊界覆蓋情況即可。不滿足要求則采取相應(yīng)的補(bǔ)飛等措施。此項目經(jīng)檢查覆蓋完整性均滿足要求。

6.2 飛行姿態(tài)、航高保持、飛行速度

%IMU/GNSS質(zhì)量：偏心分量準(zhǔn)確性、完整性，機(jī)載、地面GNSS數(shù)據(jù)記錄完整性，IMU數(shù)據(jù)記錄完整性，IMU/GNSS融合數(shù)據(jù)解算精度的符合性。

利用IMU/GPS解算數(shù)據(jù)檢查旋偏角、俯仰角、側(cè)滾角、飛機(jī)轉(zhuǎn)彎坡度的符合性，一般要求：旋偏角、俯仰角、側(cè)滾角不大于2度，最大不超過4度；飛機(jī)轉(zhuǎn)彎坡度不大于15度，最大不超過22度。飛行作業(yè)過程中，要求在一條航線內(nèi)實際航高變化不超過設(shè)計航高的5%-10%，不超過相對航高的5%-10%。LiDAR-DC軟件檢測出的飛行姿態(tài)檢查報告（如表3所示），檢測出的航高檢查報告（如表4所示）：

表3 飛行姿態(tài)檢查報告 單位：度

表4 航高檢查報告 單位：米

比較機(jī)載GNSS記錄的飛行地速與設(shè)計飛行地速是否符合《機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》CH/T 8024-2011的要求（飛行速度應(yīng)盡可能保持一致；在一條航線內(nèi)，飛機(jī)上升、下降速率不大于10米/秒）。

6.3 航帶重疊度

煤航軟件通過提取航帶邊緣激光點，形成航帶邊界范圍，按一定的采樣間距，可對航帶間有重疊部分的重疊度進(jìn)行統(tǒng)計并輸出報告，輸出的報告（如圖5所示），其中紅色部分為不滿足給定閾值的部分，可以在Terrasolid軟件讀入激光點，進(jìn)一步檢核不滿足給定閾值的部分是否為水域部分或其他原因，可為航線設(shè)計與激光漏洞補(bǔ)飛提供有力參考。

7.附件質(zhì)量

檢查技術(shù)文檔的齊全性、完整性。檢查航攝儀、激光掃描儀、相機(jī)設(shè)備、地面基站接收機(jī)、機(jī)載GNSS接收機(jī)、IMU設(shè)備檢定報告的完整性、符合性。檢查資料的整飾質(zhì)量。核查各類附圖、附表的完整性、符合性。

圖5 航帶重疊度報告

8.結(jié)束語

本文結(jié)合機(jī)載LiDAR生產(chǎn)作業(yè)實踐經(jīng)驗，簡單介紹了基于煤航質(zhì)檢軟件LiDAR-DC并結(jié)合MicroStation V8對點云密度、點云噪聲、航帶拼接誤差、預(yù)處理后點云數(shù)據(jù)的平面和高程的相對以及絕對精度、飛行速度、航帶重疊度、覆蓋完整性、航跡、航高保持、飛行姿態(tài)等進(jìn)行質(zhì)量檢驗的方法，并根據(jù)質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)提出對應(yīng)問題的解決方案。最后也希望能為行業(yè)人員在激光點云質(zhì)量檢驗方法的探索研究道路上提供參考。