國產機載LiDAR系統集成誤差檢校方法的比較

劉田龍，常 虹，謝劭峰，左建章

（1.桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004；2.中國測繪科學研究院，北京 100039；3.云南省基礎地理信息中心，云南 昆明 650032）

國產機載LiDAR系統集成誤差檢校方法的比較

劉田龍1,2，常 虹3，謝劭峰1，左建章2

（1.桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004；2.中國測繪科學研究院，北京 100039；3.云南省基礎地理信息中心，云南 昆明 650032）

以國產SW-LiDAR系統為例，結合具體試驗數據，對SW-LiDAR系統安置角誤差檢校方法進行比較。

機載LiDAR； 安置角誤差；集成檢校； 國產化

機載激光雷達（LiDAR）系統主要集成了激光測距儀、慣性測量系統、GPS接收機、中央控制系統、CCD相機及穩定平臺等硬件。為了獲得高精度的激光腳點坐標，需要對系統進行起飛前的單機檢校和在航檢校來消除系統集成誤差。本文根據先后在陜西省漢中市多次飛行試驗得到的數據，對只需選擇特征地物，而不需要事先布設地面控制點的安置角誤差檢校方法進行了比較研究，并給出了詳細的檢校過程[1]。

1 SW-LiDAR系統集成誤差

SW-LiDAR系統的誤差可以分為2個方面：①量測誤差，主要包括測距誤差、GPS定位誤差、IMU姿態誤差；②集成誤差，即系統各部件觀測值集成過程中的系統集成誤差，包括硬件安置角誤差和數據處理誤差。硬件安置誤差是SW-LiDAR系統中各個子系統安置在一起時產生的誤差，主要有偏心距誤差、照準誤差、角度步進誤差，扭矩誤差。數據處理誤差是各個系統獲取的數據進行整合處理時產生的誤差，包括時間同步誤差、內插誤差、坐標轉換誤差等[2]。機載激光雷達系統誤差檢校的目的就是要確定所有系統誤差，通過飛行試驗數據進行系統誤差改正，使其最終只剩下隨機誤差。

2 SW-LiDAR安置角檢校原理

SW-LiDAR對地定位的坐標轉換順序為：瞬時激光坐標系→激光掃描坐標系→載體坐標系→慣性平臺坐標系→當地平臺坐標系→當地水平坐標系→當地垂直坐標系→WGS84坐標系?？梢栽O某一束激光從發射點到目標點的距離為ρ，根據對瞬時激光坐標系的定義，此時激光腳點的坐標為（xSL，ySL，zSL），并有:

為了使用方便，還需要將WGS84坐標系進一步轉化為局部坐標系。各坐標系之間的相互關系如圖1所示。由此可以得出LiDAR的構像方程為：

為了簡單表示，可用向量表示為：

式中，P=（x84y84z84）T是激光腳點在WGS84系中的坐標；PWGS=（xGPSyGPSzGPS）T是天線相位中心在WGS84系中的坐標；r=（0 0 ρ）T是激光腳點在瞬時激光束坐標系中的位置向量[3,4]。

圖1 機載LiDAR系統坐標系之間的轉換關系

由于安置角的存在，不同航帶重疊區域的同一地物表現出不重合，可以通過此特點選取固定地物的位置移動來進行安置角的檢校改正，但是在檢校過程中，不同的檢校順序對結果影響是不同的。試驗表明，以Roll、Pitch、Heading的順序進行檢校效果是最好的。

3 安置角檢校方法的比較

3.1 飛行航線及質量要求

通過對安置角誤差的分析可知，需要設計如下幾條航線：①與飛機場跑道方向垂直，且穿過跑道上方、方向相反的2條重疊航線；②與尖頂房屋脊線方向垂直，且穿過屋頂上方、方向相反的2條重疊航線；③與水平樓頂方向垂直，且穿過樓等上方、方向相同的2條平行航線（相鄰航帶有30%的重疊）。航線設計如圖2所示[5]。

圖2 飛行航線設計圖

機載LiDAR飛行質量要求：

1）“8”字飛行：避免IMU受累計誤差影響。要求進入第一條航線前先平飛5 min，然后作“8”字轉彎飛行，出最后一條航線后，再作“8”字轉彎飛行，平飛5 min。

2）GPS靜止觀測：飛機在起飛前，需要地面靜態GPS觀測5 min。飛機落地后，也需靜態GPS觀測5 min。

3）盤旋轉彎坡度：轉彎坡度＜22°，最好在15°～20°之間。

4）航線上飛行姿態：側滾角（Roll）＜5°；俯仰角（Pitch）＜5°；偏航角（Heading）＜20°。

3.2 安置角的檢校步驟

中國科學院光電研究院在最近幾年開發出了一種新型的掃描方式——四面塔鏡掃描方式。每個鏡面與轉軸的夾角為44．5°，掃描點在地面上形成一簇弧形掃描平行線。該種掃描方式掃描視場角可達90°，并且能360°掃描，大大提高了掃描效率。

由于掃描方式的不同，解算過程中采用的解算方法不同，數據結果也會略微不同。本文采用4個鏡面單獨檢校與4個鏡面集成檢校來進行誤差對比，分析4個鏡面集成檢校是否能達到精度要求，從而提高數據后處理的解算效率[6]。

下面就以漢中市2個架次飛行試驗數據為例，采用點云數據預處理軟件SS-LiPre對3個安置角誤差依次進行單鏡面檢校和4個鏡面集成檢校分析。

3.2.1 側滾角檢校

由于Roll角的存在使平面掃描線產生傾斜，被掃描物體平面位置沿著掃描方向產生位移，利用TerraScan軟件加載這兩條航線的點云數據，并沿著飛機場跑道方向切取多個垂直斷面，切得的這些斷面均為2條相交的直線，這兩條直線的夾角為所求側滾角的2倍，如圖3所示。式中，Δ r為側滾角改正值；d為往返飛時公路斷面的相對距離。利用多個段面的均值作為側滾角的檢校值，根據飛行方向確定檢校值的正負，重新把改正值輸入到SS-LiPre軟件，重復檢校直到2條航線之間的高差滿足限差要求[7]。

圖 3 側滾角檢校

3.2.2 俯仰角檢校

由于Pitch的存在使被掃描物體的位置沿垂直于掃描方向產生位移，利用TerraScan顯示出這2條航線上的點云數據，沿著屋脊線的垂直方向在屋脊中間處切取多個斷面，2個屋脊線的頂點在水平方向上存在明顯的位移，如圖4所示。

式中，Δ p為俯仰角改正值；d為同一地物中心位置之間的距離；h為平均航高。根據式（5）得到多個俯仰角，求出均值作為俯仰角的檢校值代入SS-LiPre軟件，反復進行調整，直到人字頂最大限度重合。

圖 4 俯仰角檢校

3.2.3 航偏角檢校

選取垂直于平頂建筑物且沿相同方向飛行的2條航線（AB和DC） 進行檢校，

式中，Δ H為航偏角改正值；S為同一建筑物幾何中心在兩條航線中的距離；D為兩航帶之間的距離。如圖5所示，多次測量取均值作為檢校值，根據飛行方向確定出正負，多次進行檢校直到兩建筑物幾何中心重合為止。

3.3 精度評定與分析

1）單鏡面安置角解算結果。平面位置精度評定利用垂直墻面上的激光點，本應該共面、投影到xy面時應該共線，但由于誤差的存在，擬合出的點云并不是一條直線，求得各個鏡面的殘差中誤差（如表1、表2）[8,9]。

高程精度評定采用水平的樓頂，理論上點云的高程應該是相等的，但是由于誤差的存在，這些點云并不共面，選取數量夠多的點云求得各個鏡面的殘差中誤差（如表1、表2）。

圖5 航偏角檢校

表1 第1架次單鏡面安置角檢校結果

表2 第2架次單鏡面安置角檢校結果

從表1、表2可以看出，側滾角的值最大，對點云數據的影響最大，所以側滾角的檢校很關鍵，檢校不準確將會直接影響后面角度的改正。高程精度明顯優于平面精度，驗證了機載LiDAR在高程方面的優勢。將解算出的安置角對點云數據進行改正，并與檢校前的點云數據進行比較，發現檢校后的點云數據吻合的很好。

2）4個鏡面集成檢校結果。4個鏡面集成檢校同樣采用單鏡面解算方法，不同的是在SS-LiPre軟件中要改變配置參數，精度評定與檢校結果見表3、表4。

表3 第1架次4個鏡面安置角集成檢校結果

表 4 第2架次4個鏡面安置角集成檢校結果

從整個解算結果可以看出，第1架次的4個鏡面集成檢校的結果完全滿足單個鏡面檢校的要求，第2架次也能滿足精度要求，說明這種新的四面塔鏡掃描方式可以完全按照4個鏡面集成檢校方法進行，在一定程度上縮短了數據后處理的時間，提高了作業的效率。

[1] 張小紅．機載激光雷達測量技術理論與方法[M]．武漢: 武漢大學出版社,2007

[2] 劉磊,機載LiDAR系統誤差分析與檢校方法研究[D]．青島:山東科技大學,2011

[3] 賴旭東．機載激光雷達基礎原理與應用[M]．北京:電子工業出版社,2010

[4] 左建章,關艷玲,李軍杰,等．高精度輕小型航空遙感系統集成與實現[M]．北京：測繪出版社,2014

[5] 成樞,張艷亭,馬浩，等．國產機載LiDAR安置角誤差檢校初探[J]．測繪通報，2013(1):37-40

[6] 李世明．機載LiDAR系統檢校與應用探索分析[D]．昆明：昆明理工大學,2013

[7] 劉經南,張小紅,李征航．影響機載激光掃描測高精度的系統誤差分析[J]．武漢大學學報：信息科學版,2002,27(2):111-117

[8] 王成,Menenti M,Toll M P,等．機載激光雷達的誤差分析及校正[J]．遙感學報,2007,11(3):390-396

[9] 王致華,張愛武,王書民,等．基于重疊航帶的機載激光雷達系統檢校 [J]．中國激光，2014,41(2):1-8

P237.3

B

1672-4623（2015）02-0028-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.011

劉田龍，碩士，研究方向為機載激光雷達數據獲取與應用。

2014-09-24。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2012BAH34B00）；國家測繪地理信息局科技資助項目（201305C022）；測繪地理信息公益性行業科研專項資助項目（201412020）；廣西空間信息與測繪重點實驗室資助項目（13-051-14-18、11-031-08-26）。