基于掃描航帶間重疊區(qū)數(shù)據(jù)分析的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

基于掃描航帶間重疊區(qū)數(shù)據(jù)分析的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

1數(shù)據(jù)質(zhì)量分析激光雷達(dá)（lightdetection，random，im）是一個(gè)利用激光、全球定位系統(tǒng)（gps）和永久性導(dǎo)航系統(tǒng)（ios）的自發(fā)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)體系，用于獲取地面和地面目標(biāo)的三維信息。在近十年內(nèi),機(jī)載LiDAR技術(shù)作為一種精確、快速獲取地表三維信息的方法在世界發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被普遍接受,它不僅在地形測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、三維城市建模等諸多領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求,而且在生態(tài)系統(tǒng)研究中也極具潛力。LiDAR系統(tǒng)是通過(guò)記錄激光脈沖(laserpulse)從發(fā)射到返回的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)和傳感器之間的距離。按照回波(laserreturn)記錄方式的不同,LiDAR系統(tǒng)可分為兩類:波形LiDAR系統(tǒng)(waveformrecordingdevice)記錄同一個(gè)脈沖隨時(shí)間變化的返回能量強(qiáng)度,離散LiDAR系統(tǒng)(discrete-returndevice)記錄有限個(gè)(一個(gè)或者幾個(gè))返回信號(hào)。第一個(gè)回波信號(hào)(firstreturn)被認(rèn)為是從目標(biāo)的較高部分(如植被冠層、建筑物頂部)反射,最后一個(gè)回波(lastreturn)則認(rèn)為是從較低處(如地面)反射而得到。與其他類型數(shù)據(jù)的遙感應(yīng)用(尤其是定量遙感應(yīng)用)一樣,數(shù)據(jù)質(zhì)量分析在LiDAR遙感應(yīng)用中是首要的、不可缺少的一環(huán)。近年來(lái),LiDAR掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析已經(jīng)被廣泛的研究:影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有很多,如地物類型、GPS/INS、傳感器和平臺(tái)、飛行高度和觀測(cè)角等。最直接地評(píng)價(jià)LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法就是點(diǎn)到點(diǎn)的比較,即比較同一地面控制點(diǎn)的實(shí)際高程和LiDAR測(cè)得的高程,其差值就是數(shù)據(jù)誤差,但是這種方法也有一些限制:首先,控制點(diǎn)需要耗費(fèi)大量的人力物力(尤其在荒漠、海灘地區(qū)很難獲取);其次,地面控制點(diǎn)有可能與LiDAR采集點(diǎn)的水平位置(坐標(biāo))不完全一致,從而沒(méi)有可比性,目前比較常用的解決辦法是選擇一塊相對(duì)平坦的地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū);最后,由于LiDAR量測(cè)的數(shù)據(jù)精度受地物類型、地物形狀等影響,地面控制點(diǎn)上地物的變化將影響到點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)。為了克服點(diǎn)到點(diǎn)精度評(píng)價(jià)方法的不足,Latypov提出了基于重疊掃描區(qū)統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)價(jià)LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量,這是一種基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)本身的精度評(píng)價(jià)方法,其基本思路是:以一定面積大小、符合一定統(tǒng)計(jì)特性的樣本單元(surface)為基本采樣點(diǎn)(或稱基本采樣單位),對(duì)兩條航帶重疊區(qū)所有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值(如均值、方差等),比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)的目的。這是目前廣為應(yīng)用的基于數(shù)據(jù)本身的LiDAR數(shù)據(jù)精度分析方法,但是這種方法沒(méi)有對(duì)采樣點(diǎn)的面積大小進(jìn)行分析和討論,也沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)誤差來(lái)源進(jìn)行深入分析,另外沒(méi)有提出消除誤差的方法(系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,如相鄰條帶間的高程差異、壞線條/點(diǎn)、噪音等)。本研究提出了一套完整的基于數(shù)據(jù)本身的誤差檢驗(yàn)—誤差分析—誤差校正的LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。以機(jī)載小光斑激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為例,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差檢驗(yàn)(以Latypov提出的重疊區(qū)域分析方法為基礎(chǔ)),然后分離出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和隨機(jī)誤差,最后分別進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差校正,最終得到高質(zhì)量的LiDAR數(shù)據(jù),為后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用做準(zhǔn)備。2驗(yàn)—LiDAR數(shù)據(jù)誤差分析及校正方法基于LiDAR數(shù)據(jù)本身的數(shù)據(jù)誤差分析及誤差校正可分為三個(gè)步驟:誤差檢驗(yàn)——數(shù)據(jù)是否存在誤差;誤差分析——在確定存在數(shù)據(jù)誤差的情況下,分析誤差來(lái)源并對(duì)誤差進(jìn)行分類(即區(qū)分隨機(jī)和系統(tǒng)誤差);誤差校正——針對(duì)不同的誤差來(lái)源及誤差類型,采取合適的方法剔除或減少誤差,達(dá)到校正數(shù)據(jù)的目的。2.1采樣點(diǎn)的平滑度計(jì)算本研究采用Latypov提出的基于數(shù)據(jù)本身的航帶間重疊區(qū)分析方法。該方法是以相鄰航帶重疊區(qū)的數(shù)據(jù)為分析對(duì)象,采用兩種數(shù)據(jù)誤差評(píng)價(jià)方法:(1)以采樣點(diǎn)面積大小(surfacesize)為變量的誤差評(píng)價(jià);(2)以平坦度(surfaceflatness)為變量的誤差評(píng)價(jià)。首先定義基本采樣單元的面積大小,基本采樣單元的面積即為采樣點(diǎn)的大小;然后把整個(gè)重疊區(qū)分成若干個(gè)采樣點(diǎn)(類似于圖像的柵格化),每個(gè)采樣點(diǎn)包含有多個(gè)LiDAR掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)(掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與掃描密度和采樣點(diǎn)大小有關(guān))。在重疊區(qū)中每個(gè)采樣點(diǎn)都分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)數(shù)據(jù)子集(分屬兩個(gè)掃描帶),在保證兩個(gè)子集的激光點(diǎn)密度大致相等的情況下(如密度相差很大,則此采樣點(diǎn)棄之不用以保證后續(xù)結(jié)果的可比性),分別對(duì)于重疊區(qū)內(nèi)的兩掃描條帶數(shù)據(jù)子集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(包括均值h^(1)sh?(1)s、h^(2)sh?(2)s和方差?σσ?(1)s(1)s、?σσ?(2)s),如果均值之差(公式(1))比較明顯,則說(shuō)明數(shù)據(jù)中有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差/壞點(diǎn)或者地物目標(biāo)是多層次的物體(如大樹,水平距離很近的兩個(gè)激光點(diǎn)可能在垂直方向上距離相差很大);如果數(shù)據(jù)中只存在系統(tǒng)誤差,則方差?σ(1)s和?σ(2)s應(yīng)大致相等。重疊區(qū)內(nèi)每一個(gè)采樣點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)δh,所有采樣點(diǎn)δh的平均值(ˉδh)及其標(biāo)準(zhǔn)差(σδh)則可作為評(píng)價(jià)兩個(gè)掃描條帶間相對(duì)誤差的兩個(gè)參數(shù)。計(jì)算采樣點(diǎn)的平坦度,假設(shè)采樣點(diǎn)S可以表達(dá)為:采樣點(diǎn)S的平坦度可以定義為采樣點(diǎn)面積上的地形坡度絕對(duì)值:式中,A為采樣點(diǎn)As的面積,但是如果對(duì)每一個(gè)采樣點(diǎn)的平坦度都按公式(3)計(jì)算將耗費(fèi)很多時(shí)間,因此把采樣點(diǎn)內(nèi)所有(LiDAR數(shù)據(jù)的)z值的均方差作為平坦度的近似。在固定采樣點(diǎn)面積的情況下,隨著平坦度的增加,如果條帶間δh沒(méi)有顯著變化,則可認(rèn)為數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差的影響可以忽略。2.2第一次誤差校正針對(duì)誤差檢驗(yàn)的結(jié)果,并根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)首先找出隨機(jī)誤差的可能來(lái)源,分別對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次誤差校正,減少數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差;對(duì)于系統(tǒng)誤差,則結(jié)合誤差檢驗(yàn)的結(jié)果(條帶間的相對(duì)偏移量)建立含有系統(tǒng)誤差變量的方程組,通過(guò)最小二乘解出各掃描條帶的糾正值,利用糾正值對(duì)經(jīng)過(guò)第一次校正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差的消除,最終得到高質(zhì)量的LiDAR數(shù)據(jù)。3濕地植被類型意大利最大的濕地位于威尼斯近海(地中海),由許多小荒島組成,總面積大約為550km2。本研究的實(shí)驗(yàn)區(qū)選在其中的SanFelice小島,一塊面積為約1.5km×1km的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)區(qū)地表覆蓋由多種類型地物混合而成(在遙感圖像上表現(xiàn)為混合像元),主要組成類型為裸地和4種典型濕地植被:Spartinamaritime(Spar.),Sarcocorniafruticosa(Sarc.),Limoniumnarbonense(Limo.)和JuncusMaritimus(Junc.),這幾種植被的高度一般在0—70cm之間。而且在此研究區(qū),表面高程(植被高度+地形高度)的變化范圍基本在0—100cm之間。本文所用的LiDAR數(shù)據(jù)由德國(guó)TopoSys公司研制的FALCONⅡ激光雷達(dá)系統(tǒng)在2002年10月4日掃描獲取,飛行高度450m,飛行速度60m/s,地面腳印大小40cm,測(cè)高分辨率1cm,解算得到激光點(diǎn)坐標(biāo)的水平精度小于50cm,高程精度小于15cm,LiDAR系統(tǒng)記錄了第一個(gè)和最后一個(gè)激光回波。在本研究中,我們僅以最后一個(gè)回波數(shù)據(jù)為例來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差分析和校正,共有25個(gè)飛行條帶覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū),產(chǎn)生大約300MB的LiDAR數(shù)據(jù)。4掃描重疊區(qū)lda算法結(jié)果分析對(duì)于一組連續(xù)的多條掃描帶數(shù)據(jù),首先計(jì)算每一掃描帶數(shù)據(jù)的邊緣位置,其次找出每?jī)蓷l連續(xù)掃描帶之間的重疊區(qū)域,最后把重疊區(qū)域的所有LiDAR數(shù)據(jù)分別組成兩個(gè)數(shù)據(jù)文件(分屬不同的掃描帶)。本研究最終確定了6條掃描帶,用這6條掃描帶可以完整的覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū),并且這6條掃描數(shù)據(jù)是在很短的時(shí)間內(nèi)(小于1h)獲取的,以保證分析數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性。分別對(duì)這些掃描帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示各掃描條帶的掃描密度基本相似。6個(gè)掃描帶共有4927421個(gè)激光掃描點(diǎn),平均的掃描點(diǎn)密度為7.8點(diǎn)/m2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明大于50%的實(shí)驗(yàn)區(qū)至少同時(shí)被兩個(gè)(或兩個(gè)以上)掃描條帶所覆蓋,并且發(fā)現(xiàn)僅有一條掃描帶覆蓋(或者沒(méi)有掃描數(shù)據(jù))的區(qū)域主要是水體(海洋或河流)。本文所采用的數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)方法是基于重疊區(qū)數(shù)據(jù)的分析方法,實(shí)驗(yàn)區(qū)如此大面積的重疊掃描數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)精度分析的可靠性。每?jī)蓚€(gè)相鄰掃描帶就可以產(chǎn)生一個(gè)重疊區(qū)域,本研究中6個(gè)掃描帶共產(chǎn)生了9個(gè)重疊區(qū),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明9個(gè)重疊區(qū)內(nèi)各條帶的點(diǎn)密度大致相當(dāng),這使得后續(xù)分析的結(jié)果更加合理可靠。對(duì)每一個(gè)掃描重疊區(qū)的LiDAR數(shù)據(jù),兩個(gè)程序分別進(jìn)行重疊區(qū)數(shù)據(jù)誤差分析:一是在給定平坦度?σs(實(shí)驗(yàn)區(qū)大部分?jǐn)?shù)據(jù)的z值變化范圍為30—70cm,因此給定?σs<20cm)的前提下,以采樣單元(點(diǎn))的面積為變量進(jìn)行誤差分析;另外一個(gè)是給定采樣點(diǎn)面積(3m×3m)的前提下,變量為平坦度(flatness)的數(shù)據(jù)誤差分析。僅以掃描條帶1和2為例說(shuō)明誤差分析的過(guò)程,表1為滿足(?σs<20cm)條件下,以采樣點(diǎn)面積為變量的精度分析結(jié)果。第一列為采樣點(diǎn)面積大小,第二列為樣點(diǎn)總數(shù),第三列為滿足(?σs<20cm)條件的采樣點(diǎn)數(shù)量,第四列為所有符合條件采樣點(diǎn)(即表中的第三列)兩重疊條帶LiDAR數(shù)據(jù)的平均z值之差。從表1中可以看出,兩條帶間的差值(ˉδh)從采樣面積為1m2時(shí)的2.53cm增加到采樣點(diǎn)面積為49m2時(shí)的3.16cm,后隨著采樣點(diǎn)面積(本研究直到100m2)的增加條帶間差異反而逐漸減小?？蓪?duì)結(jié)果做這樣的分析:如果此重疊區(qū)域存在隨機(jī)誤差,那么條帶間誤差ˉδh應(yīng)該隨著采樣點(diǎn)面積的增加而減小;如果存在系統(tǒng)誤差,條帶間誤差ˉδh應(yīng)該獨(dú)立于采樣點(diǎn)面積大小,不隨采樣點(diǎn)面積的大小而變化。因此表1的結(jié)果表明隨機(jī)和系統(tǒng)誤差都可能同時(shí)存在于掃描數(shù)據(jù)之中。表2列出了不同平坦度(?σs)條件下的精度估算結(jié)果。樣本點(diǎn)面積固定為9m2(每條帶中大約有70個(gè)激光點(diǎn)數(shù)據(jù)被接收,樣本數(shù)量可滿足統(tǒng)計(jì)需要),并且符合條件(?σs=100cm)的樣點(diǎn)數(shù)量可達(dá)3560。表2中第二列為重疊區(qū)中所有的樣點(diǎn)個(gè)數(shù),第三列為滿足一定平坦度(?σs)條件下的采樣點(diǎn)數(shù),第四列則為重疊區(qū)條帶間平均誤差(ˉδh)。表2中的結(jié)果顯示:在滿足平坦度為5cm的所有樣點(diǎn)中兩條帶間差異(ˉδh)為2.10cm,且隨著平坦度的增加,條帶間差異也在緩慢增加,滿足平坦度條件的樣點(diǎn)比例也接近1。所有這些都表明這兩個(gè)條帶的LiDAR數(shù)據(jù)同時(shí)存在著系統(tǒng)和隨機(jī)誤差。對(duì)于所有9個(gè)重疊區(qū)的掃描條帶組合,可以分別計(jì)算不同變量下(采樣點(diǎn)面積和平坦度)數(shù)據(jù)誤差分析的結(jié)果。從這些結(jié)果中,可以得出各掃描條帶的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況并可區(qū)分其中的隨機(jī)和系統(tǒng)誤差。如表3中條帶組合1和3之間的差異主要由系統(tǒng)誤差導(dǎo)致,而不是隨機(jī)誤差,原因在于條帶差異(ˉδh)基本不隨著采樣單元的大小而變,條帶差異(ˉδh)基本上是隨平坦度的增加而減小。圖1為采樣點(diǎn)大小為9m2,滿足平坦度為20cm情況下,所有采樣點(diǎn)條帶間差值的分布圖。從圖中可以看出,不同條帶之間的系統(tǒng)誤差(系統(tǒng)偏移量)和隨機(jī)誤差/噪音(圖中細(xì)的尖峰)的大小。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn):對(duì)9個(gè)重疊掃描區(qū)來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)參數(shù)ˉδh和σh不是一個(gè)常數(shù)。這是由儀器和飛行參數(shù)等多種因素導(dǎo)致的,如GPS/INS、傳感器和平臺(tái)、飛行高度和觀測(cè)角等。這種方法評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)在于:在沒(méi)有地面控制點(diǎn)的情況下,能對(duì)數(shù)據(jù)誤差及動(dòng)態(tài)范圍給出比較客觀的評(píng)價(jià)。通過(guò)糾正每一條帶上垂直方向的偏移,能夠盡可能地減少相鄰條帶的匹配誤差。4.1數(shù)據(jù)處理和濾波以掃描條帶1和2的重疊區(qū)為例,分別對(duì)該區(qū)域內(nèi)陸地和水體部分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5)。如果這兩個(gè)條帶的LiDAR數(shù)據(jù)不受隨機(jī)誤差的影響,對(duì)陸地和水體來(lái)說(shuō),這兩個(gè)相鄰條帶的平均z值應(yīng)該大致相當(dāng)。但從表5中可以看出,陸地區(qū)域的兩個(gè)條帶間差異為1.6cm(條帶1的平均值為44cm,條帶2的均值為42.4cm),這種差異是可以接受的。但是對(duì)于水體來(lái)說(shuō),兩個(gè)條帶數(shù)據(jù)的均值差異不能滿足要求(3.4cm)。另外,水體部分的LiDAR數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該顯著小于陸地區(qū)域,因?yàn)殛懙馗采w面的波動(dòng)程度一般大于水體表面,而統(tǒng)計(jì)結(jié)果正好相反。這些情況表明LiDAR數(shù)據(jù)的水體部分存在比較嚴(yán)重的隨機(jī)誤差。由于水體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差比較大,而且有相當(dāng)部分水體表面沒(méi)有激光反射信號(hào),因此用一個(gè)濾波器(z>0cm)將所有水體表面反射的激光回波信號(hào)去掉(獲取的LiDAR數(shù)據(jù)表明海平面的平均海拔高度近似為0)。另外,野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)區(qū)(S.Felice)絕大部分地表高程(裸地高程+植被高度)小于100cm,僅有一些海水中的航標(biāo),其高度大約在270cm。因此可以認(rèn)為(z>300cm)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為噪音/壞數(shù)據(jù),從而用另外一個(gè)濾波(z>300cm)去掉一部分隨機(jī)誤差。通過(guò)兩個(gè)濾波處理,消除了數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差,同樣用前面的數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)過(guò)濾波處理后的數(shù)據(jù),圖2表示經(jīng)過(guò)隨機(jī)誤差消除后的數(shù)據(jù)質(zhì)量效果。比較兩個(gè)散點(diǎn)圖(圖1和圖2)不難發(fā)現(xiàn),經(jīng)隨機(jī)誤差消除后,條帶間的差異(ˉδh)明顯減少,同時(shí)采樣點(diǎn)的數(shù)目也有所減少(從28711減少到21428),被去掉的數(shù)據(jù)為水體和數(shù)據(jù)噪音。另外圖2也表明不同條帶間存在明顯的系統(tǒng)偏差。4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上面的分析結(jié)果表明:經(jīng)隨機(jī)誤差剔除后的數(shù)據(jù)中存在著系統(tǒng)誤差。以相鄰條帶1和2內(nèi)的重疊覆蓋區(qū)為例來(lái)說(shuō)明如何確定相對(duì)偏移值的大小,定義LiDAR獲取的平均z值分別為u1和u2,真實(shí)值為u,假設(shè)經(jīng)隨機(jī)誤差剔除后LiDAR數(shù)據(jù)中剩余誤差(即系統(tǒng)誤差)為?u,那么真實(shí)值、LiDAR測(cè)量值和系統(tǒng)誤差?u之間的關(guān)系可以表達(dá)為:從而條帶間的相對(duì)偏移可表達(dá)為:本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,9個(gè)系統(tǒng)偏移值d分別對(duì)應(yīng)于9個(gè)相鄰條帶重疊區(qū),可以組成一個(gè)多元一次方程組來(lái)求解各個(gè)條帶的誤差校正值:通過(guò)最小二乘求解此方程組,即可得各條帶的系統(tǒng)偏移量:最后利用以上求得的各條帶系統(tǒng)偏移值對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)中每一個(gè)激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的z坐標(biāo)值進(jìn)行糾正。圖3顯示了9個(gè)重疊區(qū)內(nèi)所有采樣點(diǎn)相鄰條帶差值的分布圖,對(duì)比圖1和圖2,可以看出系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均抑制在很小的范圍內(nèi)。總的說(shuō)來(lái),LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差校正之后,數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯改善,如圖4(a)所示。條帶間的平均差值從原始數(shù)據(jù)時(shí)的[-8cm,8cm]下降到