機(jī)載激光雷達(dá)測量檢校精度探討范文

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《北京測繪雜志》2016年第4期

摘要：

采用機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)對檢校場進(jìn)行點(diǎn)云獲取，融合基站數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行軌跡處理，然后運(yùn)用區(qū)域網(wǎng)提取及最小二乘平面擬合算法進(jìn)行點(diǎn)云平面提取及擬合，進(jìn)而改正機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)偏心角誤差，并采用模擬數(shù)據(jù)說明該算法的可行性。

關(guān)鍵詞：

點(diǎn)云；誤差分類；區(qū)域網(wǎng)提取；最小二乘法；平面擬合

1引言

三維激光掃描作為一種新興的測量技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)是高度集成了測距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度慣性導(dǎo)航和高精度動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（GPS）的一種遙感數(shù)據(jù)獲取領(lǐng)域的新技術(shù)［1］。三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，可以對實(shí)物進(jìn)行數(shù)字化，快速獲取物體表面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)（稱為點(diǎn)云），以幫助人們迅速描繪和量化復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)獲取空間立體數(shù)據(jù)的革命性飛躍。這項(xiàng)技術(shù)是繼GPS技術(shù)空間定位之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)的新突破［2］，是一種嶄新的革命性的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。因此，Lidar技術(shù)逐漸被應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、道路工程、電力電網(wǎng)、水利、石油管線、海岸線及海島礁、數(shù)字城市等領(lǐng)域。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是為了建立掃描物體的三維模型，從掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取表面特征信息是數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容，而高精度的數(shù)據(jù)獲取是保證后續(xù)三維模型數(shù)據(jù)精確的重要環(huán)節(jié)。一個(gè)完整的機(jī)載激光測量項(xiàng)目包含航線設(shè)計(jì)、檢校場布設(shè)、航攝飛行、數(shù)據(jù)下載、航跡解算、檢校場數(shù)據(jù)解算及數(shù)據(jù)預(yù)處理等多方面，其中檢校場布設(shè)及檢校場數(shù)據(jù)解算是提高數(shù)據(jù)精度的重要保證。近年來，很多人在提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度方面做了不少的研究及試驗(yàn)。Yang和Lee［4］應(yīng)用最小二乘方法對參數(shù)化二次曲面擬合進(jìn)行三維測量數(shù)據(jù)的分割。2001年JianbingHuang［5］提出了一種基于邊界檢測的分割算法，通過搜索邊緣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了一種較好的檢校場布設(shè)方案。本文中綜合多位學(xué)者的研究采用區(qū)域網(wǎng)平差及最小二乘法二次曲面擬合以獲取最優(yōu)解。

2誤差分類

機(jī)載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的誤差，主要存在于機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)誤差、控制網(wǎng)誤差以及后期數(shù)據(jù)處理誤差三大部分。其中，機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)誤差又包含GPS定位誤差、GPS／IMU組合姿態(tài)確定誤差和掃描角誤差、激光掃描測距誤差及系統(tǒng)集成誤差。

2．1GPS定位誤差機(jī)

載激光測量系統(tǒng)的工作原理決定了GPS定位誤差是影響機(jī)載激光測量系統(tǒng)的主要原因。由于機(jī)載GPS是在高速動(dòng)態(tài)情況下獲取數(shù)據(jù)，所以很容易受到多方面的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星星座和觀測噪聲等。以上誤差隨環(huán)境變化而變化，因此消除此類誤差是不可能的。由經(jīng)驗(yàn)可知通過在測區(qū)均勻布設(shè)多個(gè)地面基準(zhǔn)站的方法能減弱該類誤差，且盡量保證地面基站距測區(qū)邊界不大于50km。2．2GPS／IMU組合姿態(tài)誤差和掃描角誤差GPS／IMU組合姿態(tài)誤差和掃描角誤差屬于機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)硬件自身誤差。在實(shí)際作業(yè)過程中，降低飛行高度可以減弱IMU姿態(tài)測量誤差的影響。

2．3激光掃描測距誤差

激光掃描測距誤差主要是由激光掃描測距儀誤差、大氣折射誤差及與反射面有關(guān)的誤差，理論上可以通過一些方法糾正，但在實(shí)際作業(yè)過程中可行性較低。

2．4系統(tǒng)集成誤差

對于系統(tǒng)集成誤差，在作業(yè)過程中主要關(guān)注偏移分量和偏心角的獲取。偏心分量要求在每次航攝作業(yè)前都要進(jìn)行實(shí)地測量，可采用近景攝影測量法、經(jīng)緯儀測量法、平板玻璃直接投影法及地面激光設(shè)備掃描法測定。IMU與激光雷達(dá)儀器緊密固聯(lián)后，各軸指向之間形成的角度為偏心角。綜上，航攝項(xiàng)目中各類誤差中能通過后期進(jìn)行消除或減弱的主要是系統(tǒng)集成誤差，即偏心角誤差。

3檢校場布設(shè)

經(jīng)過一些學(xué)者的研究［6］檢校場布設(shè)需滿足一定的條件。①檢校場選擇需考慮飛行便利、有明顯地物標(biāo)志和檢查點(diǎn)測量方便等因素，以選擇在機(jī)場附近為宜；②檢校場內(nèi)不存在激光回波高吸收地物，即檢校場內(nèi)目標(biāo)應(yīng)具有較高的反射率；③檢校場地形平坦，最好有高反射的平直道路，并有明顯傾斜地形或地物（如尖頂房等）；④檢校場面積不小于4km2。本文采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是由某機(jī)載激光測量系統(tǒng)于2014年12月份在某城市獲取。該機(jī)載激光測量系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。為了保證檢校場的可靠性，參考廠家建議，通常檢校場航線設(shè)計(jì)飛行高度為1000m。綜合分析測區(qū)地形情況，最終選定檢校場區(qū)域面積約5km2。該檢校場位于市區(qū)，場內(nèi)有多條平直公路，且有多個(gè)大型建筑物及少量尖頂房屋，無水域避免了激光反射率低可能引起檢校精度降低的情況出現(xiàn)。檢校場航線布設(shè)如圖1所示。為了提高解算精度，在檢校場內(nèi)部架設(shè)基站，以精確解算飛行軌跡。

4數(shù)據(jù)解算及精度分析

本文采用類似攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，由于機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取的是大量離散點(diǎn)，首先需要根據(jù)點(diǎn)云之間拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行點(diǎn)云分割［7］，為了保證類區(qū)域網(wǎng)的建立需在飛行航線間增加一定的重疊區(qū)域，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)航線間重疊度為25％。利用最小二乘法估算類區(qū)域網(wǎng)模型中校正參數(shù)以最小化多余觀測值的加權(quán)平方和，并進(jìn)行平面擬合［8］。為了加強(qiáng)類區(qū)域網(wǎng)的強(qiáng)度通常增設(shè)一條連接所有航線的貫穿線，稱之為構(gòu)架線。因此，數(shù)據(jù)解算包含以下幾步：選擇最優(yōu)區(qū)域網(wǎng)提取算法；利用最小二乘平差模型［9］［10］確定最優(yōu)平面；分析解算精度并改正儀器參數(shù)。

4．1選擇最優(yōu)區(qū)域網(wǎng)提取算法

區(qū)域網(wǎng)建立基于點(diǎn)云之間嚴(yán)密的拓?fù)潢P(guān)系，如同一平面點(diǎn)云高程之差小于閾值、同一斜面點(diǎn)云間坡度值小于閾值等等。通過這種區(qū)域網(wǎng)（面域）內(nèi)點(diǎn)云間的拓?fù)潢P(guān)系提取平面并進(jìn)行面域平差。通過現(xiàn)實(shí)世界中地形地物類型來確定區(qū)域網(wǎng)提取算法并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定提取閾值。

4．2提取最優(yōu)平面

在步驟1基礎(chǔ)上，對提取的區(qū)域網(wǎng)采用最小二乘平面擬合的方法進(jìn)行點(diǎn)云平面擬合，以獲取最優(yōu)平差模型。采用最小二乘平面擬合算法對數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2。圖2（a）中用不同顏色表示不同平面擬合結(jié)果，圖2（b）說明對于不是同一高度平面，算法可以將其提出并保證不分割平面，圖2（c）對于道路面算法可以很好的將邊界提取，保證平面完整性。

4．3結(jié)果分析

本項(xiàng)目使用的機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)的初始偏心角由廠家提供，廠家在實(shí)驗(yàn)室做了嚴(yán)密的檢校。根據(jù)綜上原理對檢校場數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校處理，并更新偏心角參數(shù)，與原廠數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，檢校前和檢校后偏心角有一定差值，根據(jù)分析造成這種差值可能有兩種原因：儀器經(jīng)過長距離運(yùn)輸，路途顛簸導(dǎo)致設(shè)備部件之間發(fā)生輕微變化；航向點(diǎn)間距導(dǎo)致航線角偏差存在。每個(gè)激光點(diǎn)的理論精度都可以由協(xié)方差傳播定律來獲取。如果測量粗差和系統(tǒng)誤差可以完全消除且觀測值（如激光距離、掃描角度、傳感器中心位置及掃描瞬間姿態(tài)角）已知，那么標(biāo)準(zhǔn)偏差值可以作為有效標(biāo)準(zhǔn)來衡量激光點(diǎn)云的精度。通過模擬一組含有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的數(shù)據(jù)，并將檢校場檢校前后結(jié)果應(yīng)用到該數(shù)據(jù)中，以說明偏心角對數(shù)據(jù)的影響如圖3所示。圖3中藍(lán)色點(diǎn)代表含有誤差的激光點(diǎn)云高程值。圖3（b）中紅線表示高程值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在這兩組數(shù)據(jù)中，觀測值中均含有隨機(jī)誤差。圖3（a）使用的偏心角參數(shù)未經(jīng)過檢校，即未消除偏心角誤差，圖3（b）中偏心角參數(shù)經(jīng)過檢校。由此可以看出，準(zhǔn)確的偏心角參數(shù)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程影響還是很大的。

5結(jié)論

通過類區(qū)域網(wǎng)平差及最小二乘擬合算法進(jìn)行檢校場數(shù)據(jù)解算，以得到檢校偏心角參數(shù)，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)比較檢校前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程值標(biāo)準(zhǔn)偏差，從而說明在實(shí)際生產(chǎn)中，對每一個(gè)項(xiàng)目來講，進(jìn)行檢校場飛行及設(shè)備檢校都是很有必要的。后續(xù)將繼續(xù)研究更精確及完善的點(diǎn)云分割及平面擬合算法。

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作者:王薇薇 張輝 單位:山東正元航空遙感技術(shù)有限公司 山東恒歷城測繪科技股份有限公司