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摘要：激光雷达测量（Lidar）作为航测法的一种发展既继承了传统航测法的优点，又使测图精度得到了提高。本文对激光雷达测图技术进行了简单阐述并对利用激光雷达在二广高速某路段所测1：2000地形图进行了精度分析。
关键词：Lidar系统、滤波、内插、精度。
1引言
Lidar系统(Light detection and ranging)是一种集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统(INS)、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备与一身的系统。LIDAR系统应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，其高程数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具优越性。可提供理想的数字高程模型DEM。激光雷达的应用使测图工作既节省了人力物力，也提高了效率。
2方法实施
激光高程点处理过程可以将其归结为三个步骤：1、原始数据的获取；2、地面点三维数据的计算和转换；3、数据处理。
2.1原始数据获取
在扫描过程中激光扫描仪发射激光脉冲，并接受到由探测目标反射回来的脉冲信号，从而得到探测目标的距离、坡度、粗糙度和反射率等信号。数码相机对地面进行拍摄得到地面影像。其扫描方式按照光束在地面上的形状和轨迹间隔可分为平行扫描方式、“之”字形扫描方式和近椭圆扫描方式，如图1。
平行扫描方式 之字形扫描方式 近椭圆扫描方式
图1
在激光扫描获取原始数据过程中，激光的扫描方式直接影响到激光数据的点云密度。当方式合适其点云密度旁向可达0.3m以下，航向间距可达0.8m以下。在实际操作中应根据情况选择适合的扫描方式和各项参数，这样在经过后期的滤波和内插计算之后，就可以得到足够密的点云数据。
与此同时，全球定位系统（GPS）、惯性导航系统(INS)就负责实时的获取扫描仪和数码相机的位置（X、Y、H）和方位（滚动角、俯仰角、航偏角）。最终得到两类数据：一类就是有所得到的目标物的距离、坡度、粗糙度和反射率等信号以及拍摄的地面影像。另一类是由GPS和INS所得到的用于定位定向的系统参数。
在数据计算的过程中，还需要定标数据。定标数据是需要在测图范围内选择参考区，参考区需要事先选好，参考区一般选在较为平坦且易于观测的地方。宽阔路面、平地，开阔草地，学校操场等地较为合适。在参考区进行扫描并在其中取得足够的地面测量监测信息（真实点坐标），与激光雷达数据结合起来就可求出定标数据。用以数据质量的控制和数据改正。
2.2地面点三维数据的计算和转换
将以上所得到的定标数据、系统安置参数、激光扫描数据和POS数据三种数据信息集合在一起，就可以将激光点在WGS84坐标系下三维坐标计算出来。在实际的应用中，一般还需要将目标点的WGS84坐标转换成局部坐标下的坐标。转换过程，一般选择分布在测区四周能将侧区覆盖的点作为参考点，利用参考点算出转换参数，可将目标点坐标进行转换。经过转换之后，我们就可得到具有三維坐标的原始激光点数据。
2.3数据处理
为了得到真实的地面数据，还需要对这些数据进行滤波处理，将数据分成地面点和非地面点数据。滤波过程中所选用的滤波算法对滤波结果的影响较大。往往因为滤波算法选择不当，使得过滤的力度过小，将非地面点数据当作地面点；或是滤波力度过大，将一些地面上的特征点当成非地面点滤除。
滤波之后定会产生一些没有点的区域或是点密度相对较少的区域，就需要利用内插对空白区域进行填补。内插实质就是数学上的二元函数逼近， 即先利用已知点构设好数学曲面，然后将待定点的平面坐标带入函数中，求出待定点在这张曲面上的高程。DEM内插一般可分为分块内插、移动内插和剖分内插3 种。较为常用的是剖分内插。
滤波和内插算法的好坏会影响处理后的数据精度。如果所选择算法合适，在不同的实地情况下，其平面的精度可以达0.15 至1米，其高程精度可达到0.1米以下。经过滤波和内插处理后的数据就可以用来生成DEM和对正射影像进行纠正。实际操作中为了，将精度进提高还需要对一些特殊地区进行进调绘和补测。
3精度分析
在二广高速本案路段的实际测量中，我们应用了激光雷达1：2000地形图的测量，为了保证测图精度对激光雷达数据进行了检查。在工程前后，分别选择了房屋建筑物、道路设施、自然地貌等区域进行检查。
在工程的前期采用激光扫描数码摄影测量方法进行了试验，分别利用新技术和按传统全站仪测记法成图1.0Km2。 试验结果表明，采用新技术成图，一般地物平面位置精度可达到要求，等高线的高程中误差可达到要求，建筑物平面位置精度达不到1：2000地形图的要求，如果要达到精度要求，必须对于测区内主要地物采用全野外实测、实量。
中间检查过程针对在整个测区120公里左右的范围内，每隔大约15公里检查一些铁路、电杆、田埂、路边线、涵洞等明显的地物点，比较野外实测点与根据正射影像绘制的数字线划图之间的点位位置差值和野外实测的高程值与通过原始激光点在同样的位置内插出来的高程值之间的差值。精度统计结果表明，重要地物的点位置中误差为0.7m，小于限值1.2m，等高线的高程中误差为0.3m，小于限值1.0m。实验结果的点位中误差和高程中误差均小于相应限差。
后期验收过程同样对道路、房屋建筑、自然地貌等有代表意义的点进行了精度检查。在平面点位检查中对道路共检查154个检查点，将全部较差当作误差予以统计，道路的位置中误差为0.9m，小于限值1.2m。对房屋建筑检查共检查400个检查点，将全部较差当作误差予以统计，房角的位置中误差为1.2m，等于限值1.2m。对田埂、陡坎、地类界等自然地貌检查总点数为247个。如果将绝对值大于3.2m的较差当作粗差予以剔除，一般地物的点位中误差为1.2m；如果将全部较差当作误差予以统计，点位中误差为1.4m，均小于限值1.6m。在对高程精度进行检查中，野外实测总点数1145个。精度统计结果表明，如果将绝对值大于2m的较差当作粗差予以剔除，高程中误差为0.5m；如果将全部较差当作误差予以统计，等高线的高程中误差为0.7m，均小于限值1.0m。由中桩放样高程点、等级控制点和高程散点检查由激光高程点制作的数字地表模型精度能达到0.5m，而本次数字地形图的高程注记点、绘制等高线的高程点均由激光高程点过滤而来，因而，也可以间接反映等高线的高程中误差小于限值1.0m。
经过以上精度检查可得出：1、激光扫描数码航测系统的高程测量精度较高。对所检查所有的5201个点进行统计分析如表（1）
误差a区间(m) 点数 比例（%）
表（1）
由表中可看出误差绝对值小于0.6m的点占所有点的94.9%，可得出等高线的高程中误差能达到0.6m，大于平原区1：2000地形图的三分之一基本等高距（1m）0.33m，但小于微丘区1：2000地形图二分之一等高距（2m）1.0m。激光扫描精度的均匀性和高穿透性，能达到微丘区、重丘区和山岭区的高程精度要求，因而，利用激光扫描进行山区地形图测量具有优势。2、激光扫描数码航测系统的平面测量精度相对来说较差，在绘图过程如果采用激光点对建、构筑物平面位置进行纠正，其精度勉强能达到1：2000地形图的要求。如果要进一步提高平面精度，有必要进行外业调绘和补测。3、在实际的测量过程中，还是要有选择性的对植被茂密和测量困难地区适当进行实地测量，以对激光数据进行进一度的纠正。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：Lidar系统、滤波、内插、精度。
1引言
Lidar系统(Light detection and ranging)是一种集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统(INS)、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备与一身的系统。LIDAR系统应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，其高程数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具优越性。可提供理想的数字高程模型DEM。激光雷达的应用使测图工作既节省了人力物力，也提高了效率。
2方法实施
激光高程点处理过程可以将其归结为三个步骤：1、原始数据的获取；2、地面点三维数据的计算和转换；3、数据处理。
2.1原始数据获取
在扫描过程中激光扫描仪发射激光脉冲，并接受到由探测目标反射回来的脉冲信号，从而得到探测目标的距离、坡度、粗糙度和反射率等信号。数码相机对地面进行拍摄得到地面影像。其扫描方式按照光束在地面上的形状和轨迹间隔可分为平行扫描方式、“之”字形扫描方式和近椭圆扫描方式，如图1。
平行扫描方式 之字形扫描方式 近椭圆扫描方式
图1
在激光扫描获取原始数据过程中，激光的扫描方式直接影响到激光数据的点云密度。当方式合适其点云密度旁向可达0.3m以下，航向间距可达0.8m以下。在实际操作中应根据情况选择适合的扫描方式和各项参数，这样在经过后期的滤波和内插计算之后，就可以得到足够密的点云数据。
与此同时，全球定位系统（GPS）、惯性导航系统(INS)就负责实时的获取扫描仪和数码相机的位置（X、Y、H）和方位（滚动角、俯仰角、航偏角）。最终得到两类数据：一类就是有所得到的目标物的距离、坡度、粗糙度和反射率等信号以及拍摄的地面影像。另一类是由GPS和INS所得到的用于定位定向的系统参数。
在数据计算的过程中，还需要定标数据。定标数据是需要在测图范围内选择参考区，参考区需要事先选好，参考区一般选在较为平坦且易于观测的地方。宽阔路面、平地，开阔草地，学校操场等地较为合适。在参考区进行扫描并在其中取得足够的地面测量监测信息（真实点坐标），与激光雷达数据结合起来就可求出定标数据。用以数据质量的控制和数据改正。
2.2地面点三维数据的计算和转换
将以上所得到的定标数据、系统安置参数、激光扫描数据和POS数据三种数据信息集合在一起，就可以将激光点在WGS84坐标系下三维坐标计算出来。在实际的应用中，一般还需要将目标点的WGS84坐标转换成局部坐标下的坐标。转换过程，一般选择分布在测区四周能将侧区覆盖的点作为参考点，利用参考点算出转换参数，可将目标点坐标进行转换。经过转换之后，我们就可得到具有三維坐标的原始激光点数据。
2.3数据处理
为了得到真实的地面数据，还需要对这些数据进行滤波处理，将数据分成地面点和非地面点数据。滤波过程中所选用的滤波算法对滤波结果的影响较大。往往因为滤波算法选择不当，使得过滤的力度过小，将非地面点数据当作地面点；或是滤波力度过大，将一些地面上的特征点当成非地面点滤除。
滤波之后定会产生一些没有点的区域或是点密度相对较少的区域，就需要利用内插对空白区域进行填补。内插实质就是数学上的二元函数逼近， 即先利用已知点构设好数学曲面，然后将待定点的平面坐标带入函数中，求出待定点在这张曲面上的高程。DEM内插一般可分为分块内插、移动内插和剖分内插3 种。较为常用的是剖分内插。
滤波和内插算法的好坏会影响处理后的数据精度。如果所选择算法合适，在不同的实地情况下，其平面的精度可以达0.15 至1米，其高程精度可达到0.1米以下。经过滤波和内插处理后的数据就可以用来生成DEM和对正射影像进行纠正。实际操作中为了，将精度进提高还需要对一些特殊地区进行进调绘和补测。
3精度分析
在二广高速本案路段的实际测量中，我们应用了激光雷达1：2000地形图的测量，为了保证测图精度对激光雷达数据进行了检查。在工程前后，分别选择了房屋建筑物、道路设施、自然地貌等区域进行检查。
在工程的前期采用激光扫描数码摄影测量方法进行了试验，分别利用新技术和按传统全站仪测记法成图1.0Km2。 试验结果表明，采用新技术成图，一般地物平面位置精度可达到要求，等高线的高程中误差可达到要求，建筑物平面位置精度达不到1：2000地形图的要求，如果要达到精度要求，必须对于测区内主要地物采用全野外实测、实量。
中间检查过程针对在整个测区120公里左右的范围内，每隔大约15公里检查一些铁路、电杆、田埂、路边线、涵洞等明显的地物点，比较野外实测点与根据正射影像绘制的数字线划图之间的点位位置差值和野外实测的高程值与通过原始激光点在同样的位置内插出来的高程值之间的差值。精度统计结果表明，重要地物的点位置中误差为0.7m，小于限值1.2m，等高线的高程中误差为0.3m，小于限值1.0m。实验结果的点位中误差和高程中误差均小于相应限差。
后期验收过程同样对道路、房屋建筑、自然地貌等有代表意义的点进行了精度检查。在平面点位检查中对道路共检查154个检查点，将全部较差当作误差予以统计，道路的位置中误差为0.9m，小于限值1.2m。对房屋建筑检查共检查400个检查点，将全部较差当作误差予以统计，房角的位置中误差为1.2m，等于限值1.2m。对田埂、陡坎、地类界等自然地貌检查总点数为247个。如果将绝对值大于3.2m的较差当作粗差予以剔除，一般地物的点位中误差为1.2m；如果将全部较差当作误差予以统计，点位中误差为1.4m，均小于限值1.6m。在对高程精度进行检查中，野外实测总点数1145个。精度统计结果表明，如果将绝对值大于2m的较差当作粗差予以剔除，高程中误差为0.5m；如果将全部较差当作误差予以统计，等高线的高程中误差为0.7m，均小于限值1.0m。由中桩放样高程点、等级控制点和高程散点检查由激光高程点制作的数字地表模型精度能达到0.5m，而本次数字地形图的高程注记点、绘制等高线的高程点均由激光高程点过滤而来，因而，也可以间接反映等高线的高程中误差小于限值1.0m。
经过以上精度检查可得出：1、激光扫描数码航测系统的高程测量精度较高。对所检查所有的5201个点进行统计分析如表（1）
误差a区间(m) 点数 比例（%）
表（1）
由表中可看出误差绝对值小于0.6m的点占所有点的94.9%，可得出等高线的高程中误差能达到0.6m，大于平原区1：2000地形图的三分之一基本等高距（1m）0.33m，但小于微丘区1：2000地形图二分之一等高距（2m）1.0m。激光扫描精度的均匀性和高穿透性，能达到微丘区、重丘区和山岭区的高程精度要求，因而，利用激光扫描进行山区地形图测量具有优势。2、激光扫描数码航测系统的平面测量精度相对来说较差，在绘图过程如果采用激光点对建、构筑物平面位置进行纠正，其精度勉强能达到1：2000地形图的要求。如果要进一步提高平面精度，有必要进行外业调绘和补测。3、在实际的测量过程中，还是要有选择性的对植被茂密和测量困难地区适当进行实地测量，以对激光数据进行进一度的纠正。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。