基于機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型精度分析

李 佳 　 方 愛(ài)

(杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州　310012)

數(shù)字高程模型(DEM)是對(duì)地球表面地形起伏的一種離散的數(shù)字表達(dá)，是地理信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫(kù)及地學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是目前最重要的地球信息三維基礎(chǔ)產(chǎn)品，在經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和科技上具有廣泛的不可替代的作用[1]。獲取DEM的常見(jiàn)數(shù)據(jù)源有航空航天影像及地形圖數(shù)據(jù)等[1]，而機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)為獲取DEM提供了新的途徑。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是一種先進(jìn)的集成測(cè)量技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景[2]，它可以直接獲取測(cè)區(qū)三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有速度快、精度高的優(yōu)勢(shì)，已成為目前DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)的最重要的數(shù)據(jù)源之一。DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到地理信息系統(tǒng)各種分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和正確性，進(jìn)而影響到地理信息系統(tǒng)和測(cè)繪信息工程的成敗[3]。DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量及其精度成為DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文針對(duì)以LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源而生產(chǎn)制作的DEM，提出了DEM數(shù)據(jù)精度分析方法，并分區(qū)域采集離散點(diǎn)，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1　DEM生產(chǎn)方法及誤差來(lái)源

1.1　DEM生產(chǎn)方法

DEM生產(chǎn)制作方法依賴于采用的數(shù)據(jù)源，以機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源生產(chǎn)DEM一般包括了點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、孤立點(diǎn)剔除、TIN構(gòu)建、格網(wǎng)插值等步驟。對(duì)LIDAR航攝成果進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成CGCS2000高斯平面坐標(biāo)系，然后進(jìn)行粗分類，再結(jié)合基礎(chǔ)地形圖和影像數(shù)據(jù)，采用手動(dòng)交互方式進(jìn)行詳細(xì)分類，按分類要求放置層、色。對(duì)點(diǎn)云分類成果按1∶500分幅標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裁切，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，存為DGN格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)似大地水準(zhǔn)面精化成果將CGCS2000橢球高轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高程。在地理信息系統(tǒng)軟件中，將DGN格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ArcGIS格式，并根據(jù)分類的屬性，提取地面點(diǎn)，作為數(shù)字高程模型制作的數(shù)據(jù)源。利用地理信息軟件工具，如ArcToolBox，生成TIN，然后根據(jù)設(shè)計(jì)確定的格網(wǎng)間距生成DEM。

1.2　誤差來(lái)源分析

DEM來(lái)源于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。DEM生成的過(guò)程中，根據(jù)格網(wǎng)間距，在不規(guī)則點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了插值。所以DEM的高程誤差來(lái)源于三個(gè)方面：點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身的高程(大地高)誤差；高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的誤差，即似大地水準(zhǔn)面精化誤差；以及插值對(duì)DEM高程精度的影響。

2　LIDAR點(diǎn)云高程精度分析

2.1　點(diǎn)云高程的理論精度分析

LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)為大地高高程系統(tǒng)，DEM成果為正常高系統(tǒng)，DEM格網(wǎng)點(diǎn)的高程精度表征了DEM成果的高程精度。

表1　LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)大地高高程精度

設(shè)平地某點(diǎn)高程為HE，大地高為HN，內(nèi)插的高程異常為ζ，則：

HE=HN-ζ。

由表1可知，以平地區(qū)域?yàn)槔?，大地高的中誤差為±10.0 cm。似大地水準(zhǔn)面精化的精度為±1.0 cm，按照中誤差傳播率，可得高程中誤差：

那么點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正常高高程后，其理論精度為±10.05 cm。

2.2　點(diǎn)云高程的實(shí)際精度

為了獲知實(shí)際高程中誤差，從分布在不同區(qū)域的地形圖上選擇了40個(gè)道路上的高程點(diǎn)，并比較了水準(zhǔn)高程值和通過(guò)似大地水準(zhǔn)面精化成果計(jì)算的高程值，如表2所示。

表2　水準(zhǔn)高程與GPS擬合高程較差計(jì)算

則點(diǎn)云數(shù)據(jù)正常高高程的精度為±11.2 cm。

3　DEM高程精度估算

DEM格網(wǎng)點(diǎn)高程是由點(diǎn)云點(diǎn)高程內(nèi)插而得，如圖1所示。

如圖1所示，顯然最弱點(diǎn)位于P1和P2的中間，則PE點(diǎn)高程內(nèi)插計(jì)算如下：

根據(jù)中誤差傳播率，可計(jì)算出PE的中誤差：

則DEM(格網(wǎng)點(diǎn))高程精度為±13.7 cm。

4　結(jié)語(yǔ)

以LIDAR激光點(diǎn)云分類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分利用1∶500基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)，內(nèi)插地形特征點(diǎn)和特征線，構(gòu)建不規(guī)則三角形網(wǎng)(TIN)，

制作高精度數(shù)字高程模型。本文對(duì)DEM高程精度進(jìn)行分析和估算，為DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和使用者提供了重要的參考。但是本文采用的精度分析方法還存在一定的局限性，可能對(duì)分析結(jié)果會(huì)有一定的影響。一是在區(qū)域選擇上，還應(yīng)該選擇一些丘陵和山區(qū)點(diǎn)參與分析；二是檢驗(yàn)點(diǎn)的高程是從地形圖上量取，可以采用實(shí)測(cè)進(jìn)一步提高精度。這些方面都是以后工作的方向。