機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量檢查與評定方法探討

許耿然,朱紫陽

(廣東省國土資源測繪院,廣東廣州 510500)

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量檢查與評定方法探討

許耿然?,朱紫陽

(廣東省國土資源測繪院,廣東廣州 510500)

為對機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取成果的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行有效控制，合理評價(jià)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量，針對目前該成果的質(zhì)量評價(jià)缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，在國家現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用錯(cuò)漏扣分法，設(shè)計(jì)了一套比較完整的扣分標(biāo)準(zhǔn)，探討了該成果的質(zhì)量檢查與評定方法；并通過某項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的合理性、有效性，為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的成果質(zhì)量檢查與評定提供參考。

機(jī)載激光雷達(dá)；質(zhì)量元素；質(zhì)量評定

1 引 言

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging,簡稱LiDAR)是集激光測距、CCD航攝相機(jī)、POS定位定向系統(tǒng)于一體,為高度集成的新型測量系統(tǒng),作為精確、快速的地球表面三維測量方法已獲得廣泛認(rèn)同及應(yīng)用,取得大量的研究成果[1～2],已形成若干相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3～4]。當(dāng)前研究成果主要是針對數(shù)據(jù)獲取、生產(chǎn)以及過程質(zhì)量控制[5～7],但是對其質(zhì)量檢查與評定方面的研究相對較少,國內(nèi)還沒有形成一套有效的質(zhì)量檢查和質(zhì)量評定體系。目前有關(guān)測繪成果的質(zhì)量檢查與評定有兩個(gè)規(guī)范,即《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/ T 24356-2009)和《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 18316-2008),前者涉及航空攝影影像數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量評定,后者為4D數(shù)字測繪成果的檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),但都未涉及LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量檢查與評定。如何對LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果進(jìn)行質(zhì)量檢查和質(zhì)量評定,是目前業(yè)內(nèi)所關(guān)注的問題。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量檢查工作實(shí)踐,探討其質(zhì)量檢查與評定方法。

2 質(zhì)量元素及權(quán)重

按照國家標(biāo)準(zhǔn),航空攝影各種成果的質(zhì)量元素為飛行質(zhì)量、影像質(zhì)量、數(shù)據(jù)組織、附件質(zhì)量4個(gè)方面[8]；另一方面,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量控制內(nèi)容包含數(shù)據(jù)文件、POS數(shù)據(jù)、地面GPS基站數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)5個(gè)方面[3]。為了合理評價(jià)LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量,根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的成果質(zhì)量特性及技術(shù)流程,參考現(xiàn)行的《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》及相關(guān)規(guī)范[3～4,9～10],在總結(jié)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上,以合理控制為出發(fā)點(diǎn),著重考慮LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量要求,設(shè)計(jì)了該成果質(zhì)量元素、檢查項(xiàng)、質(zhì)量元素的權(quán)重及質(zhì)量錯(cuò)漏分類方法。

質(zhì)量元素主要包括6個(gè)方面的內(nèi)容:即飛行質(zhì)量、影像質(zhì)量、點(diǎn)云質(zhì)量、POS質(zhì)量、數(shù)據(jù)組織、附件質(zhì)量。其中,除點(diǎn)云質(zhì)量外,其他5種質(zhì)量在《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》中已有相近的檢查內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn),但部分需要進(jìn)行改進(jìn)。

(1)飛行質(zhì)量包括的檢查項(xiàng)有:航攝設(shè)計(jì)(航高、航速、重疊度)及執(zhí)行情況,航攝范圍覆蓋,像點(diǎn)最大位移值,激光參數(shù)設(shè)置(脈沖頻率、掃描頻率),設(shè)備初始化,IMU誤差控制等是否符合規(guī)定要求。

(2)影像質(zhì)量包括的檢查項(xiàng)有:影像分辨率的正確性,影像色調(diào)是否均勻、反差是否適中,影像清晰度,影像外觀質(zhì)量(噪聲、云塊、污點(diǎn)等)等是否符合規(guī)定要求。

(3)點(diǎn)云質(zhì)量包括的檢查項(xiàng)有:點(diǎn)云密度,點(diǎn)云間距均勻度,點(diǎn)云精度,點(diǎn)云噪聲,航帶拼接等是否符合規(guī)定要求。

(4)POS質(zhì)量包括的檢查項(xiàng)有:基站架設(shè)質(zhì)量,基站與POS數(shù)據(jù)采集,POS數(shù)據(jù)解算基站使用的正確性,偏心分量使用的正確性,POS解算精度,檢校場布設(shè)等是否符合規(guī)定要求。

(5)數(shù)據(jù)組織包括的檢查項(xiàng)有:原始數(shù)據(jù)正確性,文件命名、數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)格式的正確性、規(guī)范性,存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)和規(guī)格的正確性,數(shù)據(jù)內(nèi)容的完整性等是否符合規(guī)定要求。

(6)附件質(zhì)量包括的檢查項(xiàng)有:附件資料的完整性、正確性等是否符合規(guī)定要求。

LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果的質(zhì)量元素及權(quán)重設(shè)計(jì)如表1所示,各質(zhì)量元素的錯(cuò)漏分類設(shè)計(jì)如表2所示。

質(zhì)量元素及權(quán)重 表1

質(zhì)量錯(cuò)漏分類表 表2

3 質(zhì)量評定

3.1 扣分標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行質(zhì)量評定時(shí),以航攝區(qū)或航攝分區(qū)為批成果,質(zhì)量錯(cuò)漏分為A、B、C、D四類,采用百分制錯(cuò)漏扣分法進(jìn)行質(zhì)量評定。其中A類、B類、C類、D類錯(cuò)漏扣分標(biāo)準(zhǔn)分別為42分/處、12分/處、4分/處、1分/處。

3.2 評分方法

若參照普通航空攝影直接以“片”為單位,或參照攝影測量與遙感直接以“幅”為單位進(jìn)行成果質(zhì)量評定,均不恰當(dāng)；考慮到LiDAR數(shù)據(jù)獲取的特殊性,設(shè)計(jì)了以航攝區(qū)或航攝分區(qū)為批成果進(jìn)行質(zhì)量評定。當(dāng)然,由于有時(shí)航攝區(qū)或航攝分區(qū)的范圍較大,存在單個(gè)航攝區(qū)或航攝分區(qū)內(nèi)超過3個(gè)B類錯(cuò)漏的情況,根據(jù)文獻(xiàn)[8],若概查中發(fā)現(xiàn)A類錯(cuò)漏或3個(gè)B類錯(cuò)漏,即被判定為不合格。而實(shí)際上,大范圍攝區(qū)存在3個(gè)B類錯(cuò)漏是可以接受的,故可設(shè)計(jì)采用等效圖幅作為單位成果進(jìn)行質(zhì)量評定,等效圖幅的計(jì)算方法如下:

假定航攝區(qū)或航攝分區(qū)面積為P,計(jì)劃成圖比例尺的單幅圖面積為A,則航攝區(qū)或航攝分區(qū)的等效圖幅數(shù):

將質(zhì)量元素得分預(yù)置為100分,根據(jù)相應(yīng)質(zhì)量元素中出現(xiàn)的錯(cuò)漏逐個(gè)扣分,得到質(zhì)量元素得分值:

式中nBi、nCi、nDi分別為該質(zhì)量元素對應(yīng)的B類、C類、D類錯(cuò)漏總數(shù)。

式中pi為相應(yīng)質(zhì)量元素的權(quán)重。

需要強(qiáng)調(diào),按照上述計(jì)算成果質(zhì)量元素得分值需滿足下述條件:成果中未出現(xiàn)A類錯(cuò)漏；成果高程精度檢測、平面位置精度檢測及相對精度檢測,任一項(xiàng)粗差比例均不超過5%；質(zhì)量元素質(zhì)量得分不低于60分。為避免成果錯(cuò)漏的集中效應(yīng),還需對航攝區(qū)或分區(qū)按計(jì)劃成圖圖廓建立格網(wǎng),格網(wǎng)內(nèi)任何質(zhì)量元素的B類錯(cuò)漏應(yīng)少于3個(gè)。

4 應(yīng)用實(shí)例

為檢核本文提出的質(zhì)量檢查與評定方法的合理性和有效性,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,將本方法應(yīng)用于廣東某地區(qū)的LiDAR數(shù)據(jù)獲取任務(wù)的質(zhì)量檢查中。該攝區(qū)面積約1 700 km2,作業(yè)區(qū)范圍及航線設(shè)計(jì)如圖1所示,計(jì)劃成圖比例尺為1∶2 000的3D產(chǎn)品,采用運(yùn)-5攜帶Trimble公司的Harrier68i系統(tǒng)對該區(qū)域進(jìn)行機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集,主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖1 作業(yè)區(qū)范圍及航線設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)獲取主要技術(shù)參數(shù) 表3

由具有豐富檢查經(jīng)驗(yàn)的人員組成5個(gè)檢查組,先結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn),按照傳統(tǒng)方法,獨(dú)立對整個(gè)航攝成果進(jìn)行質(zhì)量檢查與評定；再按照本文設(shè)計(jì)的方法對成果進(jìn)行全面質(zhì)量檢查與評定。然后將上述5個(gè)檢查組的檢查結(jié)果與本文設(shè)計(jì)方法的檢查結(jié)果進(jìn)行比對,比對結(jié)果見圖2。其中專A、專B、專C、專D、專E為5個(gè)檢查組按照傳統(tǒng)方法評定結(jié)果形成的曲線,“本文方法”為按照本文設(shè)計(jì)的方法對成果進(jìn)行全面質(zhì)量檢查與評定形成的曲線。從圖2可以看出,5個(gè)檢查組的結(jié)論曲線偏離不大,說明檢查組的結(jié)論趨于一致,可作為二者比對的依據(jù)；再看5個(gè)檢查組的結(jié)論曲線,與本文設(shè)計(jì)方法的結(jié)論曲線,基本上也是一致的,說明本文設(shè)計(jì)的評定方法是穩(wěn)定可靠的。利用本質(zhì)量評定方法所得出的結(jié)論,得到了下工序的驗(yàn)證,也得到了業(yè)主的充分肯定,從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了該方法的合理性和有效性。

圖2 質(zhì)量評定曲線圖

5 結(jié) 語

信息化測繪時(shí)代對機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的需求越來越大,本文針對LiDAR數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量檢查與質(zhì)量評定缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,參考有關(guān)研究成果,根據(jù)現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合工作實(shí)踐,制定了LiDAR數(shù)據(jù)獲取成果質(zhì)量檢查與質(zhì)量評定方法,并驗(yàn)證了該評定方法的合理性、有效性,為LiDAR數(shù)據(jù)獲取的成果質(zhì)量檢查與評定提供參考。

[1] 林明華.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[2] 張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[3] CH/T 8024-2011.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范[S].

[4] CH/T 8023-2011.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 王師，周曉翠，陸小藝.淺析機(jī)載激光雷達(dá)測量誤差及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].紅水河，2011，30(5)：156～159.

[6] 王師，周曉翠.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制與解決方案探討[J].紅水河，2012，31(3)：91～95.

[7] 王國飛.機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)流程中的質(zhì)量控制方法研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2009.

[8] GB/T 24356-2009.測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收[S].

[9] GB/T 27919-2011.IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S].

[10] GB/T 27920.1-2011.數(shù)字航空攝影規(guī)范第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影[S].

A Quality Checking and Evaluation M ethod for Data Acquisition of Airborne LiDAR

Xu Gengran,Zhu Ziyang
(Institute of Lands and Resource Surveying and Mapping of Guangdong Province,Guangzhou 510500,China)

For the airborne LiDAR data to obtain results for effective control of production quality and reasonable evaluation of airborne LiDAR data quality of the results obtained,the results for the current lack of appropriate quality assessment criteria situation in the country on the basis of existing norms,mistakes deductionmethod used to design a setof relatively complete deduction standards,discusses the results of the quality of the inspection and evaluation methods. Through a project application example shows that themethod is reasonable,effective for the airborne Laser radar data acquisition and evaluation of the results of quality checks to provide a reference.

airborne LiDAR；quality element；quality evaluation

1672-8262(2013)06-85-04

P237

B

2013—07—02

許耿然(1968—),男,高級工程師,主要從事測繪生產(chǎn)技術(shù)管理工作。