李 磊，嚴(yán) 潔，阮友田

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

車載激光測繪系統(tǒng)的標(biāo)定

李 磊*，嚴(yán) 潔，阮友田

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047）

介紹了車載激光測繪系統(tǒng)的組成和工作原理。對系統(tǒng)中的激光掃描儀增設(shè)了可見光源作為標(biāo)校參考光，以便有效地確定激光測量中心和掃描方向，并直接測量部分標(biāo)校參數(shù)。根據(jù)其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于可見參考光的標(biāo)校方案。進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)校試驗(yàn)和激光測繪系統(tǒng)動態(tài)精度測量試驗(yàn)，試驗(yàn)得到標(biāo)定誤差為0.028 1 m，系統(tǒng)平面定位誤差為0.288 m。通過系統(tǒng)精度試驗(yàn)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了標(biāo)定方案的正確性和有效性。

激光測繪；車載系統(tǒng)；激光掃描儀；標(biāo)定

1 引 言

隨著數(shù)字城市的蓬勃發(fā)展，作為獲取城市空間信息的最新手段—車載激光測繪系統(tǒng)由于具有低成本、高精度、高效快速測量的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。車載激光測繪系統(tǒng)是多傳感器協(xié)同工作的系統(tǒng)，在載車前行過程中，激光雷達(dá)（LIDAR）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航單元（IMU）、電荷耦合裝置（CCD）等傳感器分別進(jìn)行目標(biāo)距離、載車位置、載車姿態(tài)、目標(biāo)屬性信息的測量，最后通過事后的數(shù)據(jù)融合，將目標(biāo)定位到大地坐標(biāo)系下。

由于激光測繪的最終目的是將每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)統(tǒng)一到大地坐標(biāo)系下，使每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)具有唯一的空間位置，因此，必須將GPS中心位置和IMU測量姿態(tài)傳遞給激光雷達(dá)，這個(gè)傳遞過程就是系統(tǒng)的標(biāo)定過程，包括激光測量參考點(diǎn)與GPS相位中心的偏心標(biāo)定和激光掃描坐標(biāo)系與IMU坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度標(biāo)定［1-2］。目前，國外成熟的車載激光測繪系統(tǒng)有Riegl的VMX450系統(tǒng)，Optech的LYNX系統(tǒng)和Topcon的IP-S2系統(tǒng)，它們均在測繪領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。但是，這些商業(yè)系統(tǒng)對系統(tǒng)標(biāo)定沒有成熟統(tǒng)一的方案，大多需要用戶根據(jù)系統(tǒng)配置和測量方式自行設(shè)計(jì)。由于激光測繪系統(tǒng)多采用近紅外光源，人眼不可見，用戶在使用過程中通常采用標(biāo)校場標(biāo)定的方法，即車載測繪系統(tǒng)對標(biāo)校場進(jìn)行動態(tài)測量，利用標(biāo)校場的已知控制點(diǎn)，通過反推的方法確定激光與測量坐標(biāo)系的位置關(guān)系和旋轉(zhuǎn)關(guān)系［1，3-7］。

本文對測繪系統(tǒng)中的激光掃描儀增加了標(biāo)校參考光，該光源與激光測量光源同軸設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)標(biāo)校時(shí)，通過該光源使激光掃描方向人眼可見，從而使激光測繪系統(tǒng)的標(biāo)校簡單易行。

2 車載激光測繪系統(tǒng)組成和工作原理

車載激光測繪系統(tǒng)由激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和CCD相機(jī)等傳感器構(gòu)成。本文涉及的激光掃描儀為自主研發(fā)，采用傳統(tǒng)的脈沖測距體制，包括激光發(fā)射單元、光學(xué)系統(tǒng)、光電接收處理單元、掃描單元、距離測量與時(shí)間同步單元、圖像處理和顯示單元、掃描定位單元和標(biāo)校指示器。激光發(fā)射單元采用光纖激光器實(shí)現(xiàn)激光的高重頻、窄脈沖發(fā)射;光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光的整形和接收激光的回收和匯聚;光電接收處理單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和微弱信號的提取;掃描單元采用電機(jī)帶動六面體轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光的快速線性掃描;距離測量與時(shí)間同步單元實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測量和GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間接收;圖像處理和顯示單元完成圖像的時(shí)間空間的映射轉(zhuǎn)換、濾波、顯示和存儲;掃描定位單元實(shí)現(xiàn)六面體各掃描面的有效起始位置確定。激光掃描儀專門設(shè)計(jì)的標(biāo)校指示器，采用可見光作為光源供系統(tǒng)標(biāo)校使用。激光掃描儀原理框圖見圖1。

圖1 激光掃描儀原理框圖Fig.1 Block diagram of laser scanner

系統(tǒng)工作前，首先對激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和CCD相機(jī)等傳感器的空間位置進(jìn)行標(biāo)定;系統(tǒng)工作時(shí)，各傳感器均按各自的采樣頻率進(jìn)行測量，但對采樣時(shí)刻的標(biāo)注均采用GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間;測量完成后，利用系統(tǒng)各傳感器時(shí)間和空間的統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和目標(biāo)的測量。

2.1 系統(tǒng)坐標(biāo)系定義

（1）激光掃描儀坐標(biāo)系

激光掃描儀坐標(biāo)系以激光發(fā)射參考點(diǎn)為原點(diǎn)，x軸指向車右側(cè)，y軸指向車前進(jìn)方向，z軸與x，y軸構(gòu)成右手系。

（2）激光掃描坐標(biāo)系

激光掃描坐標(biāo)系以激光發(fā)射參考點(diǎn)為原點(diǎn)，x軸指向瞬時(shí)激光束方向，y軸指向車前進(jìn)方向，z軸與x，y軸構(gòu)成右手系。

（3）車頂平臺坐標(biāo)系

車頂平臺坐標(biāo)系以GPS天線中心為原點(diǎn)，x軸指向車右側(cè)，y軸指向車頭前進(jìn)方向，z軸與x，y軸構(gòu)成右手系。

（4）大地坐標(biāo)系

通常所說的高斯三度帶坐標(biāo)，x軸向東，y軸向北，z軸為高程方向。

激光測繪系統(tǒng)坐標(biāo)系見圖2，其中β為激光掃描坐標(biāo)系繞激光儀器坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)的角度，掃描線向上為正，向下為負(fù)。ρ為激光掃描參考點(diǎn)到目標(biāo)的距離。

圖2 車載激光測繪系統(tǒng)坐標(biāo)系Fig.2 Coordicate ofmobile lasermapping system

2.2 激光測量幾何模型

（1）激光點(diǎn)坐標(biāo)模型

激光測量點(diǎn)模型為：

（2）激光掃描模型

激光掃描模型為：

其中：rs為目標(biāo)相對于激光掃描儀坐標(biāo);βt為掃描角度;St為掃描距離;d為距離改正值。

2.3 激光標(biāo)定模型

當(dāng)激光掃描到的平面上存在3個(gè)已知坐標(biāo)的點(diǎn)時(shí)，可確定平面的表達(dá)式：

式中：X，Y，Z是激光點(diǎn)的坐標(biāo);（XA，YA，ZA），（XB，YB，ZB），（XC，YC，ZC）是平面上3個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)。

假設(shè)一個(gè)平面上有N個(gè)激光點(diǎn)，則可利用上式列出N個(gè)方程，未知數(shù)為激光掃描儀相對于GPS天線中心的位置（x，y，z）和激光掃描中心相對于IMU的姿態(tài)（φ，ω，κ），一共有6個(gè)。當(dāng)N≥6時(shí)，可完成激光標(biāo)定參數(shù)的求解。

3 激光標(biāo)定方案

采用激光標(biāo)定模型進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，物方坐標(biāo)系與像方坐標(biāo)系下的同名控制點(diǎn)的查找是標(biāo)定的關(guān)鍵，但由于激光成像的特殊性，用激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)與地物特征點(diǎn)匹配存在較大誤差。利用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的與激光同軸安置的標(biāo)校參考光，可以清楚地確定激光的出光點(diǎn)和掃描線的掃描方向。激光出光位置確定后，由于GPS測量中心是確定的，可直接測量激光測量中心相對GPS天線中心的偏移量，即實(shí)現(xiàn)標(biāo)定模型中x、y、z的參數(shù)標(biāo)定;由于標(biāo)校光在平面上形成的掃描線是可見的，利用出射點(diǎn)和掃描線，可獲得激光出射方向，與IMU航向角比對后得到激光掃描線與車頭行進(jìn)方向的夾角，即標(biāo)定模型中φ的參數(shù);激光啟動掃描后，激光掃描線在兩個(gè)標(biāo)校平面留下掃描軌跡，測量軌跡上的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，利用標(biāo)定模型求取剩余的標(biāo)校參數(shù)。構(gòu)建的標(biāo)定場見圖3，左下部傾斜平面為自制的標(biāo)校板，尺寸為2 m×3 m，對應(yīng)激光掃描儀的近距離和俯仰負(fù)角度，圖中豎直平面利用建筑物墻體，高度約為30 m，對應(yīng)激光掃描儀的遠(yuǎn)距離和俯仰正角度，標(biāo)校板與墻面間隔距離約為10 m。激光掃描線同時(shí)掃過兩個(gè)標(biāo)校平面，兩個(gè)標(biāo)校平面覆蓋了不同的距離和掃描角度，可以更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)校。由于標(biāo)校平面的分層放置，利用距離突變點(diǎn)可以在激光云圖中清楚地分離不同的標(biāo)校平面對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖3 激光標(biāo)定場Fig.3 Calibration field of lasermapping

4 激光標(biāo)定試驗(yàn)

激光標(biāo)定試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行：

（1）利用可見標(biāo)校參考光與全戰(zhàn)儀量取激光掃描儀參數(shù)的初值，包括激光掃描儀相對于GPS天線中心的偏心標(biāo)定和激光掃描線與車頭行進(jìn)方向夾角的標(biāo)定。

（2）在控制場上的兩個(gè)GPS控制點(diǎn)上放置兩臺經(jīng)緯儀，利用前方交會原理分別測量兩個(gè)標(biāo)定面上的點(diǎn)，每個(gè)平面至少3個(gè)點(diǎn)。

（3）利用距離突變點(diǎn)在激光掃描數(shù)據(jù)中分離出每個(gè)平面對應(yīng)的距離和角度信息，利用激光標(biāo)定模型和第一階段得到的參數(shù)初值進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

激光標(biāo)定結(jié)果見表1，其中X、Y、Z為激光測量中心相對GPS測量中心的偏移量，F(xiàn)i、Wo、Ka為激光掃描線相對IMU姿態(tài)（偏航、俯仰、橫滾）的偏差。

表1 激光掃描儀標(biāo)定參數(shù)結(jié)果Tab.1 Calibration results of laser scanner

5 激光精度試驗(yàn)與分析

車載激光系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)精度試驗(yàn)場，選擇一棟規(guī)則形狀的獨(dú)立建筑物，周圍無樹木等地物遮擋，布設(shè)了兩個(gè)GPS控制點(diǎn)和幾十余個(gè)圖根控制點(diǎn)，2個(gè)GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)分量誤差在2 cm以內(nèi)，圖根控制點(diǎn)坐標(biāo)分量誤差在5 cm以內(nèi)。

車載激光測繪系統(tǒng)在試驗(yàn)場對標(biāo)定過的建筑物進(jìn)行了動態(tài)掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

車載激光測繪系統(tǒng)的誤差源包括：

（1）激光測距誤差，取決于設(shè)備本身、目標(biāo)反射率、目標(biāo)形狀等［8］，本次試驗(yàn)測距誤差為0.05 m。

（2）激光掃描角度誤差，受掃描穩(wěn)定度、掃描角度的影響，本次試驗(yàn)誤差最大為0.05°。

（3）GPS動態(tài)定位誤差，受對流層延遲誤差、電離層延遲誤差、多路經(jīng)誤差等誤差影響，本次采用動態(tài)載波相位差分法進(jìn)行標(biāo)定，定位誤差為0.05 m。

（4）IMU姿態(tài)誤差，此次車載激光掃描系統(tǒng)所采用集成平臺的航向精度為0.1°，俯仰角和翻滾角的精度為0.1°。

（5）人為選點(diǎn)誤差，受激光測量點(diǎn)密度影響，與車速、激光掃描速率和目標(biāo)距離有關(guān)，本次試驗(yàn)人為選點(diǎn)誤差為0.05 m。

（6）激光標(biāo)定誤差，取決于系統(tǒng)標(biāo)校儀器、標(biāo)校場測量精度等，本次激光標(biāo)定誤差為0.03 m。

表2 車載激光精度檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Precision exam ination resu lts of laser mapping system

（7）時(shí)間誤差，由于車載系統(tǒng)平臺運(yùn)動速度較低，且使用的石英鐘頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-6，由此產(chǎn)生的位置誤差可以忽略不計(jì)。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的激光測繪系統(tǒng)標(biāo)校方案利用了激光掃描儀的可見標(biāo)校參考光，有效地確定了激光測量中心和掃描方向，直接測量了大部分標(biāo)校參數(shù)（x、y、z、φ）。利用距離突變點(diǎn)在激光云圖上易于識別的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)的簡易標(biāo)校場解決了物方同名點(diǎn)與像方同名點(diǎn)不易確定的問題，使激光測繪系統(tǒng)的標(biāo)定在載車靜態(tài)下即可完成，避免了動態(tài)下GPS/IMU組合的不確定因素對標(biāo)校的影響。車載動態(tài)精度試驗(yàn)驗(yàn)證了標(biāo)定方案的有效性。通過精度分析可知，提高激光掃描儀的測距和測角精度并采用高精度的GPS/IMU組合系統(tǒng)將會進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度。

［1］王飛，段建民，高德芝，等.一種雷達(dá)和攝像機(jī)的空間標(biāo)定方法［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（2）：454-456. WANG F，DUAN JM，GAOD ZH，etal..Amethod of spatial calibration for camera and lidar［J］.ComputerMeasurement Control.，2012，20（2）：454-456.（in Chinese）

［2］康永偉，鐘若飛，吳俁.車載激光掃描儀外參數(shù)標(biāo)定方法研究［J］.紅外與激光工程，2008，37（增）：249-253. KANG YW，ZHONG R F，WU Y.Research of calibrating vehicle laser scanner′s external parameters［J］.Infrared and Laser Eng.，2008，37（Supp）：249-253.（in Chinese）

［3］FILIN S，CSATHóB，SCHENK T.An analyticalmodel for in-flight calibration of laser sltimeter systems using natural surfaces［C］//The Annual Conference of the American Society of Photogrammetry and Remote Sensing（ASPRS）2001，April 24-27，2001，St.Louis MS，2001.

［4］GLENNIE C，LICHTID D.Static calibration and analysis of the velodyne HDL-64E S2 for high accuracymobile scanning［J］.Remote Sens.，2010，2（6）：1610-1624.

［5］RIEGER P，STUDNICKA N，PFENNIGBAUER M.Boresight alignmentmethod for mobile laser scanning systms［J］.J. Appl.Geodesy，2010，4（1）：13-21.

［6］LICHTID D.Errormodeling，calibration and analysis of an AM-CW terrestrial laser scanner system［J］.ISPRSJ.Photogramm.Remote Sensing，2007，61（5）：307-324.

［7］張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論和方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2007. ZHANG X H.Air-borne Laser Measure Technology Theory and Method［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2007.（in Chinese）

［8］戴永江.激光雷達(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010. DAIY J.Laser Technology［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2010.（in Chinese）

Calibration of vehicle-borne laser mapping system

LILei*，YAN Jie，RUAN You-tian
（27th Institute of Electronics，China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）
*Corresponding author，E-mail：lileicwg@sina.com

The composition and principle of a vehicle-borne lasermapping system are described in this paper. A visible light source is designed for a laser scanner in the vehicle-borne lasermapping system，by which the lasermeasuring center and scanning direction can be determined effectively and a parts of calibration parameters are able to bemeasured directly.A calibration scheme based on the visible light source is designed，then static calibration experiment and dynamic measurement are performed.Obtained results show that the calibrating error is 0.028 1 m and plane positioning error is0.288 m.The experiment results and analysis prove the correctness and validity of calibration project.

lasermapping system;vehicle-borne system;laser scanner;calibration

TN247

A

10.3788/CO.20130603.0353

李 磊（1973—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，高級工程師，1996年于南京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光雷達(dá)、光通訊等方面的研究。E-mail：lileicwg@sina.com

嚴(yán) 潔（1973—），女，河南信陽人，碩士，高級工程師，1997年于杭州電子科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年于西安電子科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光測量等方面的研究。E-mail：1916757427@qq.com

阮友田（1979—），男，湖北孝感人，學(xué)士，工程師，2002年于長春理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光測量、圖像處理等方面的研究。E-mail：nbaibai@ sohu.com

1674-2915（2013）03-0353-06

2013-02-11；

2013-04-16