機載激光雷達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：

采用機載激光雷達測量系統對檢校場進行點云獲取，融合基站數據進行飛行軌跡處理，然后運用區域網提取及最小二乘平面擬合算法進行點云平面提取及擬合，進而改正機載激光雷達測量系統偏心角誤差，并采用模擬數據說明該算法的可行性。

關鍵詞：

點云；誤差分類；區域網提取；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，是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術革命。機載激光雷達測量技術是高度集成了測距技術、計算機技術、高精度慣性導航和高精度動態定位技術（GPS）的一種遙感數據獲取領域的新技術［1］。三維激光掃描技術又稱為“實景復制”技術，可以對實物進行數字化，快速獲取物體表面大量點的三維坐標（稱為點云），以幫助人們迅速描繪和量化復雜環境，實現了實時獲取空間立體數據的革命性飛躍。這項技術是繼GPS技術空間定位之后又一項測繪技術的新突破［2］，是一種嶄新的革命性的數據獲取技術。因此，Lidar技術逐漸被應用于基礎測繪、道路工程、電力電網、水利、石油管線、海岸線及海島礁、數字城市等領域。掃描點云數據的處理是為了建立掃描物體的三維模型，從掃描點云數據中提取表面特征信息是數據處理的重要內容，而高精度的數據獲取是保證后續三維模型數據精確的重要環節。一個完整的機載激光測量項目包含航線設計、檢校場布設、航攝飛行、數據下載、航跡解算、檢校場數據解算及數據預處理等多方面，其中檢校場布設及檢校場數據解算是提高數據精度的重要保證。近年來，很多人在提高點云數據精度方面做了不少的研究及試驗。Yang和Lee［4］應用最小二乘方法對參數化二次曲面擬合進行三維測量數據的分割。2001年JianbingHuang［5］提出了一種基于邊界檢測的分割算法，通過搜索邊緣區域實現了一種較好的檢校場布設方案。本文中綜合多位學者的研究采用區域網平差及最小二乘法二次曲面擬合以獲取最優解。

2誤差分類

機載激光雷達測量數據在生產過程中產生的誤差，主要存在于機載激光雷達測量系統誤差、控制網誤差以及后期數據處理誤差三大部分。其中，機載激光雷達測量系統誤差又包含GPS定位誤差、GPS／IMU組合姿態確定誤差和掃描角誤差、激光掃描測距誤差及系統集成誤差。

2．1GPS定位誤差機

載激光測量系統的工作原理決定了GPS定位誤差是影響機載激光測量系統的主要原因。由于機載GPS是在高速動態情況下獲取數據，所以很容易受到多方面的影響，如衛星軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差、多路徑效應、衛星星座和觀測噪聲等。以上誤差隨環境變化而變化，因此消除此類誤差是不可能的。由經驗可知通過在測區均勻布設多個地面基準站的方法能減弱該類誤差，且盡量保證地面基站距測區邊界不大于50km。2．2GPS／IMU組合姿態誤差和掃描角誤差GPS／IMU組合姿態誤差和掃描角誤差屬于機載激光雷達測量系統硬件自身誤差。在實際作業過程中，降低飛行高度可以減弱IMU姿態測量誤差的影響。

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的誤差，理論上可以通過一些方法糾正，但在實際作業過程中可行性較低。

2．4系統集成誤差

對于系統集成誤差，在作業過程中主要關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前都要進行實地測量，可采用近景攝影測量法、經緯儀測量法、平板玻璃直接投影法及地面激光設備掃描法測定。IMU與激光雷達儀器緊密固聯后，各軸指向之間形成的角度為偏心角。綜上，航攝項目中各類誤差中能通過后期進行消除或減弱的主要是系統集成誤差，即偏心角誤差。

3檢校場布設

經過一些學者的研究［6］檢校場布設需滿足一定的條件。①檢校場選擇需考慮飛行便利、有明顯地物標志和檢查點測量方便等因素，以選擇在機場附近為宜；②檢校場內不存在激光回波高吸收地物，即檢校場內目標應具有較高的反射率；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。本文采用的實驗數據是由某機載激光測量系統于2014年12月份在某城市獲取。該機載激光測量系統的主要參數見表1。為了保證檢校場的可靠性，參考廠家建議，通常檢校場航線設計飛行高度為1000m。綜合分析測區地形情況，最終選定檢校場區域面積約5km2。該檢校場位于市區，場內有多條平直公路，且有多個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。檢校場航線布設如圖1所示。為了提高解算精度，在檢校場內部架設基站，以精確解算飛行軌跡。

4數據解算及精度分析

本文采用類似攝影測量區域網平差的方法進行點云數據處理，由于機載激光雷達測量系統獲取的是大量離散點，首先需要根據點云之間拓撲關系進行點云分割［7］，為了保證類區域網的建立需在飛行航線間增加一定的重疊區域，本實驗數據航線間重疊度為25％。利用最小二乘法估算類區域網模型中校正參數以最小化多余觀測值的加權平方和，并進行平面擬合［8］。為了加強類區域網的強度通常增設一條連接所有航線的貫穿線，稱之為構架線。因此，數據解算包含以下幾步：選擇最優區域網提取算法；利用最小二乘平差模型［9］［10］確定最優平面；分析解算精度并改正儀器參數。

4．1選擇最優區域網提取算法

區域網建立基于點云之間嚴密的拓撲關系，如同一平面點云高程之差小于閾值、同一斜面點云間坡度值小于閾值等等。通過這種區域網（面域）內點云間的拓撲關系提取平面并進行面域平差。通過現實世界中地形地物類型來確定區域網提取算法并根據經驗確定提取閾值。

4．2提取最優平面

在步驟1基礎上，對提取的區域網采用最小二乘平面擬合的方法進行點云平面擬合，以獲取最優平差模型。采用最小二乘平面擬合算法對數據處理結果見圖2。圖2（a）中用不同顏色表示不同平面擬合結果，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結果分析

本項目使用的機載激光雷達測量系統的初始偏心角由廠家提供，廠家在實驗室做了嚴密的檢校。根據綜上原理對檢校場數據進行檢校處理，并更新偏心角參數，與原廠數據對比結果如表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，根據分析造成這種差值可能有兩種原因：儀器經過長距離運輸，路途顛簸導致設備部件之間發生輕微變化；航向點間距導致航線角偏差存在。每個激光點的理論精度都可以由協方差傳播定律來獲取。如果測量粗差和系統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角）已知，那么標準偏差值可以作為有效標準來衡量激光點云的精度。通過模擬一組含有系統誤差和隨機誤差的數據，并將檢校場檢校前后結果應用到該數據中，以說明偏心角對數據的影響如圖3所示。圖3中藍色點代表含有誤差的激光點云高程值。圖3（b）中紅線表示高程值的標準偏差。在這兩組數據中，觀測值中均含有隨機誤差。圖3（a）使用的偏心角參數未經過檢校，即未消除偏心角誤差，圖3（b）中偏心角參數經過檢校。由此可以看出，準確的偏心角參數對點云數據高程影響還是很大的。

5結論

通過類區域網平差及最小二乘擬合算法進行檢校場數據解算，以得到檢校偏心角參數，并根據模擬數據比較檢校前后點云數據高程值標準偏差，從而說明在實際生產中，對每一個項目來講，進行檢校場飛行及設備檢校都是很有必要的。后續將繼續研究更精確及完善的點云分割及平面擬合算法。

參考文獻：

［1］王蒙，隋立春，黎恒明．機載LiDAR點云數據的航帶研究拼接探討［J］．測繪通報，2010（7）：5－8．

［2］廖麗瓊，羅德安．地面激光雷達的數據處理及其精度分析［J］．四川測繪，2004（4）：1－2．

［5］林先秀．機載LiDAR檢校場布設及檢校技術探討［J］．測繪通報，2014（3）82－86．

［6］沈文亮．機載激光雷達測量誤差檢校的探討［J］．科技與創新，2014（8）49－51．

［7］李娜，馬一薇，楊洋，高晟麗．利用RANSAC算法對建筑物立面進行點云分割［J］．測繪科學，2011（5）138，144－145．

［8］曾齊紅，毛建華，李先華，劉學峰．激光雷達點云平面擬合過濾算法［J］．武漢大學學報信息科學版，2008（1）25－28．

［9］蒼桂華，岳建平．基于加權總體最小二乘法的點云平面擬合［J］．激光技術，2014（3）307－310．

［10］嚴劍鋒，鄧喀中，邢正全．基于最小二乘擬合的三維激光掃描點云濾波［J］．測繪通報，2013（5）43－46.

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