檢校場地物組成對LiDAR檢校的影響研究

徐巍，望德偉

(荊門市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖北 荊門 448000)

1 引 言

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及社會需求的不斷擴大，機載激光雷達技術(shù)已經(jīng)成為一種現(xiàn)今社會中比較流行的一種測量技術(shù)手段，機載激光雷達技術(shù)的發(fā)展使人們的數(shù)據(jù)獲取方式從人工單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，又由于機載激光雷達傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹林遮擋，不受日照和天氣條件的限制，能全天候?qū)Φ赜^測。這些特點使得該技術(shù)在災害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測、海岸灘涂測繪、森林地區(qū)DEM獲取、城市三維建模等方面得到廣泛的應用[1]。

機載激光雷達系統(tǒng)是由多種設(shè)備組合而成的，暫時還沒有達到真正的融合，因此在使用LiDAR系統(tǒng)之前，需要對這些設(shè)備進行校正，由于目前還缺乏統(tǒng)一的檢校標準，機載LiDAR設(shè)備一般都還是作業(yè)單位獨立完成的[2]。為了獲取高精度的三維地表信息，就必須研究這些誤差的影響，一些學者從不同的應用側(cè)面對系統(tǒng)誤差進行了分析和討論，有的考慮了參考坐標系與IMU坐標系之間的誤差[3]，有的建立了誤差源數(shù)據(jù)模型[4，5]，有的考慮了激光掃描測距誤差[6]，大多數(shù)都是從機載激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差的校正，而很少針對校正場地的要求進行分析，本文將從檢校場地地物的組成，對LiDAR數(shù)據(jù)檢校精度的影響進行研究，并得出了對實際應用具有重要參考價值的結(jié)論。

2 安置角檢校

2.1 安置角檢校原理

LiDAR系統(tǒng)校準方法數(shù)學模型如式(2)。

(2)

式中，(X，Y，Z)大地坐標為激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標后的坐標值，(X，Y，Z)飛機坐標為機載GPS所記錄的飛機實時大地坐標值，R旋轉(zhuǎn)為飛機局部坐標系到大地坐標系需要的旋轉(zhuǎn)矩陣系數(shù)，(△x，△y，△z)為在飛機局部坐標系內(nèi)激光掃描中心與GPS天線的偏移，R安裝誤差為LiDAR系統(tǒng)安裝角度誤差，(lx，ly，lz)激光數(shù)據(jù)為激光掃描儀所記錄的激光回波x，y，z為方向分量[7]。R安裝誤差還可以寫成如式(3)形式：

(3)

式中，ω，φ，k分別是Roll，Pitch和Heading三個安裝誤差角度值。

2.2 側(cè)滾角誤差

側(cè)滾角是由于慣性測量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間繞旁向方向的角度安置誤差，測區(qū)航攝采用按照激光條帶旁向重疊大于30%，首先假設(shè)航測地面是水平的，由于飛行過程中會受到側(cè)滾角誤差的影響，飛機在異向重疊飛行過程中會出現(xiàn)明顯的側(cè)滾角誤差，掃描后會得到兩條交叉型的點云條帶。

2.3 俯仰角誤差

俯仰角是慣性測量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間繞航向方向的角度安置誤差，測區(qū)航攝采用按照激光條帶航向重疊60%采集數(shù)據(jù)，若飛行過程中存在俯仰角誤差，對向飛行的兩條相鄰航帶掃描后得到的數(shù)據(jù)，同一地物點就會提前或延后出現(xiàn)，在平地上飛行方向相反的同一航線上的同一位置不會有高程的差異，而在樹木或尖頂房屋飛行方向相反的同一航線上會有高程的差異。

2.4 航偏角誤差

航偏角是慣性測量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間垂直于航向方向的角度安置誤差，航偏角誤差會影響物體的形狀也會改變掃描物體中心的位置，通常情況下，航偏角偏移會使飛機左側(cè)或右側(cè)的點提前出現(xiàn)，會產(chǎn)生航偏角誤差，在檢校過程中，如果取兩條平行相鄰的同向航線從地物的左右兩側(cè)飛過時，可以得到該點坐標沿飛行方向的水平位移。

3 檢校流程

3.1 作業(yè)流程

選擇具有不同地物組成的場地進行LiDAR系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)獲取，比較不同地物組成對檢校結(jié)果的影響，設(shè)計思路如下：

3.2 場地選取

選擇一塊檢校試驗場地，試驗場地中包括平坦公路、較平坦土路、草地、樹木、尖頂房屋、平頂房屋等盡可能多樣的地物類型，主要考慮以下幾種因素：①考慮飛行便利，有明顯地物或檢查點，靠近機場最好。②選擇反射率較高的地物類型，避免大面積水域等。③選擇有平坦道路，并有明顯高低起伏的地物，例如尖頂房屋。④場地面積不小于 4 km2。

3.3 航線設(shè)計

設(shè)定如圖1所示飛行航線進行安置角誤差檢校：

圖1 安置角在航檢校圖

其中航線需要滿足的要求：

①垂直于道路方向，并且異向重疊的兩條航帶；

②垂直于尖頂房屋的屋脊線，異向重疊的兩條航帶；

③垂直于尖頂房屋屋脊線方向，平行同向重疊的兩條航帶；

④平行于道路方向的兩條航線。

航測數(shù)據(jù)采集過程中需要注意的幾項：

①保證檢校飛行與測區(qū)飛行一致；

②可以用GPS沿道路布設(shè)檢查點，且檢查點需分布在高程變化不大且明顯的位置(例如學校操場)。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 側(cè)滾角誤差分析

分別對小土路、草地、平直公路進行檢校試驗，截取的三種地物的激光剖面如圖2～圖4所示。

圖2小土路進行Roll值檢校

圖3 草地進行Roll值檢校

圖4 平直公路進行Roll值檢校

由圖2、圖3、圖4表明，小土路一般不長，且局部可能會出現(xiàn)地形起伏，較難實現(xiàn)兩條土路的較好吻合，草地區(qū)域表面粗糙，激光反射比較分散，更難以實現(xiàn)檢校，平直公路具有較高的激光反射率，地形相對平坦，受Pitch和Heading誤差的影響較小，較易實現(xiàn)Roll值的檢校。

綜上所述，人工修建的較寬較長且平直的公路最適于Roll值的檢校。

4.2 俯仰角和航偏角誤差分析

分別對高程起伏較大的獨立地物進行數(shù)據(jù)分析，這里取獨立樹和形狀不同的屋頂進行校準試驗，圖5、圖6為截取的獨立樹和屋頂?shù)钠拭妗?/p>

圖5樹木進行Pitch、Heading值校準

圖6 屋頂進行Pitch、Heading值校準

由圖5、圖6表明：獨立樹邊界不易確定，且不易獲取其特征點，兩次掃描的激光數(shù)據(jù)可比性不強，難以實現(xiàn)兩次數(shù)據(jù)吻合，坡度較小的屋頂掃描點數(shù)據(jù)相對位置關(guān)系不好確定，相比之下，人字形的房屋頂較為合適，缺點就是面積較小，激光反射點較少。

綜上所述，在進行Pitch和Heading值檢校時，盡量選取坡度較大人字形的尖屋頂。

5 結(jié) 語

本次試驗表明，系統(tǒng)檢校飛行需要選擇滿足一定條件的場地來進行，檢校場地物組成不同，將直接影響到檢校參數(shù)的解算精度和解算速度，因此，開展檢校場地物組成對檢校精度的影響研究非常有必要，對實際工作有很大的指導作用，隨著機載激光雷達技術(shù)的不斷推廣，該技術(shù)也在市場上運用地也越來越多，因此，需要尋找更快速更簡單的檢校方法，該方法也存在一定的問題，一些新的高效的方法還有待于研究和嘗試。另外，由于每次飛行都需要對系統(tǒng)進行檢校，比較煩瑣且工作量較大，更簡便更準確地獲取檢校參數(shù)將是新的研究課題。