对机载LiDAR原始点云进行质检的方法研究
时间：2023-06-05 14:25:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
侯国瑞
（亚太遥感（山西）科技有限公司，山西 太原 030006）
机载LiDAR是激光探测及测距系统的简称。它集成了激光扫描仪、IMU、GPS和数码相机等光谱成像设备[2]。激光雷达技术发展较为迅速，尤其是需要大面积作业的新疆、植被比较茂密的诸多南方城市以及国家电网等更新周期较短的大型项目等，LiDAR作为获取地面三维数据的工具已经得到广泛地认同。机载LiDAR采集的原始点云数据具有分架次、呈条带状组织、信息丰富等特点[4]，因此数据量是比较庞大的，需现场第一时间对原始点云数据进行解算，随后进行质量检查。如果发现异常，则需重新解算或者补飞，以免后期出现设备离场后需再返场的局面。激光点云质量元素包括点云质量、IMU/GNSS质量、飞行质量以及附件质量，本文主要基于煤航航飞质检软件就点云质量以及部分飞行质量做简单描述。点云质量检查的具体内容包括点云属性、点云密度、点云噪声、条带相对高程差、点云精度（包括点云的平面精度和高程精度）。部分飞行质量包括飞行速度、航带重叠度、覆盖完整性、航迹、航高保持、飞行姿态等。
以广东某激光数据为例，数据检查依据为：《机载激光雷达数据获取技术规范》CH/T 8024-2011、《机载激光雷达数据处理技术规范》CH/T 8023-2011、《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》GB/T 27919-2011[1]等行业规范以及项目设计书。
（1）密度：点云密度不少于2.73点/平方米，计算密度时以末次回波（含单次回波）为准。
（2）重叠度：平均航线旁向重叠达到20%，最小优于13%；
丘陵、山地及建筑物密集地区，适当加密航线。如此可保证无数据漏洞，同时点云密度也可得到保证。
（3）边界及接边：旁向、航向覆盖要求超出省界不少于500米；
旁向、航向覆盖要求超出非省界不少于250米。
（4）构架航线：每个分区布设2条构架航线；
航高与分区航高基本保持一致。
点云数据高程中误差和平面中误差（如表1所示）规定：
表1 点云数据精度要求 单位：米
利用煤航机载LiDAR航飞质量检查软件LiDAR-DC以及Terrasolid对激光数据的点云密度、点云噪声、航线重叠度、航线弯曲度、单航线高差、飞行姿态、航线间高差等进行检查计算，输出最终检查报告。
5.1 点云属性完整性
点云的属性信息除了平面坐标和高程以外，原始解算得到的点云信息还包括GPS时间、回波、反射强度、扫描角度、航带、颜色、原始类别、分组等[4]，后期检查分析这些信息是否存在信息缺失、异常等现象。此次项目数据后期检查发现部分夜航激光点云缺失强度信息，后经多次重新解算才得以解决，导致后期激光点云处理工作返工。因此时刻总结经验教训是我们工作重要的一部分。检查点云数据回波信息是否正常，比如房屋边沿处应有首次回波、中间回波、末次回波，平地无植被覆盖处回波类型应为唯一回波。检查激光点云的扫描方向是否矛盾，扫描角度是否正常，逻辑是否合理[4]，如发现有点云信息错误或者丢失的问题，应分析其原因，并提出解决方案。
5.2 点云噪声%%
噪声点是明显远离地面的离散点或点群，或高于地面，或低于地面，但实际工作中经常也会遇到从上到下穿插地面的密集噪点，这些点对后期处理会产生一定影响，应当剔除。
根据噪声点的特殊性，使用Terrasolid软件自动分类功能，设置参数，探测地面等可剔除大部分噪声点。然后通过人机交互处理的方式再将剩余噪声点剔除。在考虑地形的前提下利用质检软件将明显异常的点云进行统计，确定是否满足要求。
一般情况，由于系统原因产生的噪声，都比较容易辨别，因为噪声点明显脱离地面点群，比较离散，数量也较少，都是零星的几个或者几十个，离散的正常噪声点（如图1所示）。根据实际工作中水域部分比较容易有噪点，高于或低于水面，数量或多或少，但一般情况这类噪声点占比较少，去噪后，不会影响点云整体的密度，也不会对地形、地物等造成缺失，可以理解为正常噪声[4]。但实际工作中经常会遇到非正常噪声，此项目中在后期内业数据处理删除水面密集噪点后，出现了水域岸边点云有漏洞的情况，导致返场补飞。由于云、雾、烟遮挡等原因产生的噪点则比较集中、密集，去噪后会产生数据漏洞，需要根据漏洞大小进行补飞或采取其他措施。对于这种情况产生的点云漏洞，外业人员其实相当有经验，现场会安排补飞。
图1 离散的正常噪声点
5.3 点云密度
检验方法：设置软件参数，统计航带覆盖面积和本区域范围内激光点数，通过点云密度=激光点数/覆盖面积计算输出航带点云密度。构架航线独立检测。LiDAR-DC支持全自动点云密度检查，按照密度进行点云渲染，并根据给定阈值2.73，对密度不合格区域生成矢量线进行标示。（如图2所示），红色值表示小于给定阈值，绿色值表示高于或满足给定阈值。
图2 激光点云密度检查报告
当点云密度不符合要求时，可利用点云与影像套合，分析原因：属于沥青路面、煤堆、水域等地物反射率较低引起的，则认为点云合理缺失；
由于云烟遮挡，地形起伏，设备故障等引起的点云大量缺失，须补飞或重飞，成果判定为不合格。该软件提供了人机交互功能辅助交互式手工检查，可单独测量出除去水域等合理缺失部分区域的激光点密度，使检查结果更为精确。由于水域原因引起的密度不符合要求，可以计算得出去除水域部分的激光点密度（如图3所示）。经软件检测此条带激光点云整体密度小于2.73，但除去水域部分点云后，多边形内的激光点云计算得到的密度为2.84。此密度值大于2.73，则认为其点云密度也是满足要求的。
图3 %手动去除水域部分的激光点密度
5.4 条带间相对高程差%
条带间相对高程差检查是对两条航带间的点云高程精度进行自动检查。系统对重叠条带自动提取同名特征点，并对其相对高程进行计算分析。高程中误差应小于项目激光点云高程精度要求。高程差检查报告（如表2所示），同样，输出报告中绿色表示满足给定的阈值要求，红色的表示不满足要求，针对不满足精度要求的激光点在激光点软件中读入激光点，逐一检核点云剖面图，并改正。经检查，如果两次飞行时间间隔较长，比如数月甚至跨年，继而出现的建筑新建或拆除，植被生长或凋零等引起的超过设定阈值，则为正常范畴。此项目出现较多这种情况。
表2 航带间高程差检查报告 单位：米
5.5 航带拼接相对平面中误差
检查方法主要为人机交互检查，利用Terrasolid软件，读取相邻航带（此项目也包括同航带的两个扫描激光头）间的重叠区域有规则地物部分的激光点云，设置为不同颜色，分析剖面，量取平面偏移是否小于平均点云间距（选择有影像、易辨别地物为同名点，如，人字形屋顶边界），平面位置中误差应小于平均点云间距。此次质检平面最大限差为1.2米。
5.6 点云的绝对精度
点云绝对精度（预处理后点云数据的平面、高程精度）的检测方法：首先确定外业检测样本量，以25平方公里作为一个块图单位，计算每次提交成果折合块图单位总批量，然后按《测绘成果质量检查与验收》GB/T24356-2009确定样本量。此项目覆盖测区，均匀选取5公里×5公里验证区30个。其次，内业人员在测区内均匀选取比较适合外业测取的平面、高程精度验证点的概略位置，尽量选取交通便捷的位置，使外业测取人员能安全方便抵达，平面验证点一般选取道路交叉口、水泥坎角、低矮房屋的房角等；
实际采点中尽量选择看上去近期不会拆除、翻新等的房屋，避免出现所采点的位置在激光点上找不到（浪费采点）的情况，高程精度验证点宜选在平坦硬化的路面或水泥地面上。外业测量人员根据内业人员提供的概略位置进行实地测点，并提供给内业质检人员实测点坐标成果以及每个点对应的位置照片成果。最后，由内业质检人员根据实测点检测激光点云的绝对精度。
平面精度的检验方法：利用Terrasolid软件，读取外业采集的平面验证区的点（一般为低矮房屋等房角点），与对应位置的激光点一一验证，不满足精度要求的位置需核实原因，其原因通常有以下两种情况：GPS信号问题引起的外业测点位置异常、激光点本身的问题。
高程精度的检验方法：在摄区内选择摄区四周、四角边缘处、航线首末端、摄区内部平坦区域、航带间重叠区域、构架航线与飞行航线交叉处均匀布设检测点（每个样本约30个），统计点云高程精度。运用Terra输出激光点云与野外实测离散高程点点位高差统计报告。输出的高程精度报告（如图4所示）：
图4 高程精度报告
对照航摄合同和航摄规范，核查设计数据精度指标选取的符合性、地面分辨率选择的正确性、点云密度设计的符合性、航摄分区划分的正确性以及飞行速度、航高、激光使用频率、扫描频率、使用视场角、地面基站、航线敷设、航摄时间、航摄设备、IMU/GPS处理软件的合理性[4]。
6.1 覆盖完整性
将抽稀读取的点云数据对照摄区、分区边线，检查边界覆盖情况即可。不满足要求则采取相应的补飞等措施。此项目经检查覆盖完整性均满足要求。
6.2 飞行姿态、航高保持、飞行速度
%IMU/GNSS质量：偏心分量准确性、完整性，机载、地面GNSS数据记录完整性，IMU数据记录完整性，IMU/GNSS融合数据解算精度的符合性。
利用IMU/GPS解算数据检查旋偏角、俯仰角、侧滚角、飞机转弯坡度的符合性，一般要求：旋偏角、俯仰角、侧滚角不大于2度，最大不超过4度；
飞机转弯坡度不大于15度，最大不超过22度。飞行作业过程中，要求在一条航线内实际航高变化不超过设计航高的5%-10%，不超过相对航高的5%-10%。LiDAR-DC软件检测出的飞行姿态检查报告（如表3所示），检测出的航高检查报告（如表4所示）：
表3 飞行姿态检查报告 单位：度
表4 航高检查报告 单位：米
比较机载GNSS记录的飞行地速与设计飞行地速是否符合《机载LiDAR数据获取技术规范》CH/T 8024-2011的要求（飞行速度应尽可能保持一致；
在一条航线内，飞机上升、下降速率不大于10米/秒）。
6.3 航带重叠度
煤航软件通过提取航带边缘激光点，形成航带边界范围，按一定的采样间距，可对航带间有重叠部分的重叠度进行统计并输出报告，输出的报告（如图5所示），其中红色部分为不满足给定阈值的部分，可以在Terrasolid软件读入激光点，进一步检核不满足给定阈值的部分是否为水域部分或其他原因，可为航线设计与激光漏洞补飞提供有力参考。
检查技术文档的齐全性、完整性。检查航摄仪、激光扫描仪、相机设备、地面基站接收机、机载GNSS接收机、IMU设备检定报告的完整性、符合性。检查资料的整饰质量。核查各类附图、附表的完整性、符合性。
图5 航带重叠度报告
本文结合机载LiDAR生产作业实践经验，简单介绍了基于煤航质检软件LiDAR-DC并结合MicroStation V8对点云密度、点云噪声、航带拼接误差、预处理后点云数据的平面和高程的相对以及绝对精度、飞行速度、航带重叠度、覆盖完整性、航迹、航高保持、飞行姿态等进行质量检验的方法，并根据质量评定标准提出对应问题的解决方案。最后也希望能为行业人员在激光点云质量检验方法的探索研究道路上提供参考。
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