對機載LiDAR原始點云進行質(zhì)檢的方法研究

侯國瑞

（亞太遙感（山西）科技有限公司，山西 太原 030006）

0.引言

機載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)碼相機等光譜成像設(shè)備[2]。激光雷達技術(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)得到廣泛地認同。機載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)進行解算，隨后進行質(zhì)量檢查。如果發(fā)現(xiàn)異常，則需重新解算或者補飛，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：《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》CH/T 8024-2011、《機載激光雷達數(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

（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。

（2）重疊度：平均航線旁向重疊達到20%，最小優(yōu)于13%；丘陵、山地及建筑物密集地區(qū)，適當加密航線。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度信息，后經(jīng)多次重新解算才得以解決，導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，比如房屋邊沿處應有首次回波、中間回波、末次回波，平地無植被覆蓋處回波類型應為唯一回波。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，應當剔除。

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，導致返場補飛。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)漏洞大小進行補飛或采取其他措施。對于這種情況產(chǎn)生的點云漏洞，外業(yè)人員其實相當有經(jīng)驗，現(xiàn)場會安排補飛。

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)域生成矢量線進行標示。（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，須補飛或重飛，成果判定為不合格。該軟件提供了人機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，并對其相對高程進行計算分析。高程中誤差應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，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行實地測點，并提供給內(nèi)業(yè)質(zhì)檢人員實測點坐標成果以及每個點對應的位置照片成果。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的補飛等措施。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：偏心分量準確性、完整性，機載、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

比較機載GNSS記錄的飛行地速與設(shè)計飛行地速是否符合《機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》CH/T 8024-2011的要求（飛行速度應盡可能保持一致；在一條航線內(nèi)，飛機上升、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、相機設(shè)備、地面基站接收機、機載GNSS接收機、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)等進行質(zhì)量檢驗的方法，并根據(jù)質(zhì)量評定標準提出對應問題的解決方案。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。