檢校場地物組成對LiDAR檢校的影響研究

徐巍，望德偉

(荊門市規劃勘測設計研究院，湖北 荊門 448000)

1 引 言

隨著相關技術的發展以及社會需求的不斷擴大，機載激光雷達技術已經成為一種現今社會中比較流行的一種測量技術手段，機載激光雷達技術的發展使人們的數據獲取方式從人工單點數據獲取變為連續自動數據獲取，又由于機載激光雷達傳感器發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，能全天候對地觀測。這些特點使得該技術在災害調查與環境監測、海岸灘涂測繪、森林地區DEM獲取、城市三維建模等方面得到廣泛的應用[1]。

機載激光雷達系統是由多種設備組合而成的，暫時還沒有達到真正的融合，因此在使用LiDAR系統之前，需要對這些設備進行校正，由于目前還缺乏統一的檢校標準，機載LiDAR設備一般都還是作業單位獨立完成的[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面對系統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據模型[4，5]，有的考慮了激光掃描測距誤差[6]，大多數都是從機載激光雷達系統數據誤差的校正，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數據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論。

2 安置角檢校

2.1 安置角檢校原理

LiDAR系統校準方法數學模型如式(2)。

(2)

式中，(X，Y，Z)大地坐標為激光掃描數據轉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旋轉為飛機局部坐標系到大地坐標系需要的旋轉矩陣系數，(△x，△y，△z)為在飛機局部坐標系內激光掃描中心與GPS天線的偏移，R安裝誤差為LiDAR系統安裝角度誤差，(lx，ly，lz)激光數據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 側滾角誤差

側滾角是由于慣性測量系統與激光掃描系統之間繞旁向方向的角度安置誤差，測區航攝采用按照激光條帶旁向重疊大于30%，首先假設航測地面是水平的，由于飛行過程中會受到側滾角誤差的影響，飛機在異向重疊飛行過程中會出現明顯的側滾角誤差，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與激光掃描系統之間繞航向方向的角度安置誤差，測區航攝采用按照激光條帶航向重疊60%采集數據，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據，同一地物點就會提前或延后出現，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與激光掃描系統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或右側的點提前出現，會產生航偏角誤差，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 作業流程

選擇具有不同地物組成的場地進行LiDAR系統檢校數據獲取，比較不同地物組成對檢校結果的影響，設計思路如下：

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 航線設計

設定如圖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。

航測數據采集過程中需要注意的幾項：

①保證檢校飛行與測區飛行一致；

②可以用GPS沿道路布設檢查點，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 數據分析

4.1 側滾角誤差分析

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，且局部可能會出現地形起伏，較難實現兩條土路的較好吻合，草地區域表面粗糙，激光反射比較分散，更難以實現檢校，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據分析，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的剖面。

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，兩次掃描的激光數據可比性不強，難以實現兩次數據吻合，坡度較小的屋頂掃描點數據相對位置關系不好確定，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 語

本次試驗表明，系統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的不斷推廣，該技術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將是新的研究課題。