機載激光雷達誤差檢校的探討

沈文亮

摘要：目前，國內外在機載激光雷達測量技術上都面臨著消除系統誤差的問題。基于此，就機載激光雷達誤差檢校進行了探討，以期為有關方面提供參考借鑒。

關鍵詞：機載激光雷達；誤差；檢校；飛機

中圖分類號：TN958.98文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）08－0049－02

機載激光雷達是一種將全球定位技術、慣性導航技術和激光掃描測距技術有效集成的對地觀測技術，具有受天氣影響小、自動化程度高和成圖周期短等特點。

1系統集成誤差

機載激光雷達系統誤差檢校最終目的是要確定所有的系統誤差，通過試驗確定系統誤差參數，建立改正模型或用其他方法消除激光點云系統誤差，最終使其只剩隨機誤差。

系統誤差消除順序是先對激光原始數據進行誤差改正，激光掃描儀的單機誤差包括測距誤差（加、乘常數誤差）和測角誤差，改正參數按照航飛前試驗檢校的數據進行改正，得到改正后的激光數據與IMU數據和DGPS數據集成解算。解算過程中必須消除集成誤差，包括偏心量誤差、安置角誤差、內插誤差和時間同步誤差。其中，安置角誤差包含側滾角誤差、俯仰角誤差、航向角誤差。

在檢校過程中，不同的檢校順序對最終的結果影響是不同的。經過一些學者的多次研究和嘗試發現，先檢校側滾角，再俯仰角，最后航向角的檢校順序是最佳的。

偏心量可以通過全站儀來精確測定，在主要探討機載激光雷達在消除單機誤差、偏心量誤差、內插誤差和時間同步誤差的影響后，單獨對安置角誤差進行檢校。

2利用測區條件檢校安置角

本次試驗選取的檢校場位于市區，測區面積為4.2 km×3.0 km，自然環境優越，且該地區飛行任務少；測區具備多條平直馬路和多個大型“人”字形尖頂廠房；檢校區域內水域少，避免了激光反射率低引起的檢校精度較低的現象。這些都為飛行試驗提供了良好的條件。

本次試驗采用的機載激光雷達系統包括Lair-Lidar輕量化機載激光掃描儀、激光陀螺IMU、天寶5700測量型GPS接收機和Canon5DMarkⅡ相機，系統搭載的是A2C輕小型飛機。

安裝完設備后，按照設計的航線飛行到指定的高度采集數據。通過相應的數據處理得到系統的安置角誤差，對安置角誤差進行消除，最終得到不含有系統誤差的激光點云數據。

對于安置角誤差的檢校，本文采用基于特征地物的在航分離安置角誤差的檢校方法，這些特征地物包括尖頂房和平直公路。具體檢校流程如下所述：側滾角r的檢校可通過往返重疊航帶的垂直航飛方向的平直公路來檢校；俯仰角p的檢校可用特征地物來檢校，一般選擇屋脊線垂直于飛行方向的“人”字頂來檢校；航偏角h的檢校是非常重要的，因為h的存在不但會使地物產生位移，還會使地物發生變形。為了便于計算，可將航線設計為一條穿過“人”字頂的正上方，并且“人”字頂位于相鄰的航線的邊緣。

改正完r，p，h后再檢查一遍，依次對r，p，h進行調整，直至往返、相鄰、交叉航線中的重疊區域的地物重合得都很好為止，得到的最終安置角誤差檢校。3個安置角檢校完成并消除后，將不含有系統誤差的點云數據展示在DY－2點云工作站軟件中，得到該測區的點云圖。

3利用檢校場檢校安置角

利用檢校場檢校安置角的思想是建立一個可以模擬飛行并布設一定控制點的地對地檢校場。通過檢校場求取激光掃描儀和IMU之間的安置角，保持二者的安裝不拆直接搬至測區，對測區進行航測，將檢校場求取的安置角直接應用于測區。這種方法雖然省時、省力、更經濟，但是此方法的可行性還需要驗證。可利用測區現有的條件，再次求取安置角，并與檢校場求取的安置角進行對比驗證。

3.1建立地對地檢校場

地對地檢校場，場地大小為90 m×120 m，主要由塔吊、吊艙和地面控制點組成，如圖1所示。塔身高52 m，起重臂長55 m，起重臂的水平性誤差在±3°內，抗風性能6級。其中，吊艙由內環、中環和外環上部分組成，內環為航偏軸來模擬飛機的航偏姿態，中環為橫滾軸來模擬飛機的橫滾姿態，外環為俯仰軸來模擬飛機的俯仰姿態。根據吊艙控制平臺，通過人工設置的三個角度，經控制器解算和控制伺服電機系統協調工作，從而使吊艙控制平臺調整出合理姿態，實現模擬飛機空中飛行的目的。

地面控制點點位的精度直接影響了機載LIDAR系統集成檢校的精度。控制點點位布設在有效的控制區域，三年內控制點位的相對位移應小于2 mm。試驗開始前，將標志點的中心軸擰在控制點位處；試驗完成后，可將標志點擰下保存。在地對地檢校場的四個角還分別布設控制點A，B，C，D，采用GPS靜態定位觀測與國家控制網聯測，解算精度為毫米級，試驗時作為已知點安放GPS基站用，其他地面標志點則分散布設在場地中間。

檢校場共布設66個標志點，平均分布。試驗之前，將基站GPS安置在A，B，C，D其中一個點上，設備安裝在塔吊吊艙上。操作塔吊使激光雷達系統沿塔臂方向往返模擬飛機飛行，通過吊艙控制平臺的參數設置，來模擬各種飛行姿態掃描地面標志點，激光掃描方向與飛行方向垂直。試驗完成后，將全站儀放置在任意地方，用A，B，C，D中的任意兩點定向測出每個標志點的坐標。

通過編程實現數據處理，得到鏡面一的安置角誤差。將求取的安置角誤差帶入程序，對安置角進行改正，重新計算得到不含有系統誤差的WGS－84坐標點云。在點云數據中找到標志點（如圖1所示），然后分離出三角錐的點云，找到最頂端的點云坐標，即為標志點的坐標。以全站儀的測量值為真值，計算得到x的方向殘差中誤差為0.039 m，y方向殘差中誤差為0.032 m，z方向的殘差中誤差為0.015 m，平面中誤差為0.05.

3.2測區解算安置角誤差法

為了驗證地對地檢校場求取的安置角用于測區的可行性，可利用測區現有條件，再次求取安置角，并對其進行驗證。所以，航線設計時，要考慮測區現有的條件。

與利用測區條件求取安置角試驗所不同的是，本次試驗布設地面控制點。為了驗證檢校區求解的安置角的準確性，在設計航線時，需注意在測區內布設以下航線：①垂直于公路且在公路的正上方有同一條往返飛的航線。②垂直于尖頂房屋脊線