林先秀

(福建省測繪院，福建 福州 350003)

一、引 言

LiDAR技術(shù)是一種全新的獲取地理信息數(shù)據(jù)的手段,具有普通攝影測量無法比擬的優(yōu)勢，具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點。機載LiDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。因此，近年來，LiDAR技術(shù)逐漸被應用于基礎(chǔ)測繪、道路工程、電力電網(wǎng)、水利、石油管線、海岸線及海島礁、數(shù)字城市等領(lǐng)域。隨著LiDAR技術(shù)的廣泛應用，與其相關(guān)的一些技術(shù)研究也越來越引起人們的重視，如點云的分類提取、LiDAR數(shù)據(jù)濾波方法、點云高程數(shù)據(jù)精度檢核方法、激光雷達的誤差及檢校等。其中又以激光雷達的誤差及其校正技術(shù)最為關(guān)鍵，因為它直接關(guān)系到所獲取點云數(shù)據(jù)的可靠性及精確度。本文就以某山區(qū)項目為例，從檢校場的布設、航跡解算、激光檢校等方面對該技術(shù)作一些試驗性的測試研究。

二、誤差分類簡述

機載LiDAR系統(tǒng)是一個復雜的集成系統(tǒng)，主要包括:① 動態(tài)差分GPS接收機，用于確定掃描投影中心的空間位置；② 姿態(tài)測量裝置(IMU),用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；③ 激光掃描測距系統(tǒng)，用于測量傳感器到地面點的距離；④ 一套成像裝置(主要是數(shù)碼相機),用于獲取對應地面的彩色數(shù)碼影像，最終制作正射影像。LiDAR的精度受到系統(tǒng)內(nèi)各個組成部分的共同影響，誤差來源很多也很復雜，可以分為量測誤差和集成誤差兩大方面。量測誤差主要包括測距誤差、GPS定位誤差、IMU姿態(tài)誤差等；集成誤差包括硬件安置誤差和數(shù)據(jù)處理誤差等。

三、試驗與分析

1. 布設檢校場

此次試驗所依托的項目是福建某山區(qū)地市，項目總設計航攝面積約20 000 km2，要求采用2000國家大地坐標系和1985國家高程基準，點云高程精度見表1。

表1 點云高程精度指標 m

由于項目涉及范圍較大，為了獲取相對精確的檢校數(shù)據(jù)，技術(shù)人員首先選取地勢相對平坦的城區(qū)來布設檢校場，城區(qū)中間有一條筆直寬闊的道路，附近還有一較大的尖頂建筑物，比較符合檢校航線的布設需求，如圖1所示。

圖1 檢校場及激光檢校外業(yè)布控設計

檢校航線設計如圖2所示，細長航線為激光檢校航線，設計絕對航高2600 m，相對航高2300 m。其中A05和B05、A08和B08、A09和B09為反向?qū)︼w的航線，08航線和09航線平行，旁向重疊度60%，尖頂建筑物位于08航線的中心且在09航線的邊緣，屋脊線垂直于航線。05航線垂直于08航線和09航線，且以寬闊的馬路為中心線。圖中的短粗航線為相機檢校航線，本文不對相機檢校作論述。

圖2 檢校場航線設計圖

2. 航攝儀相關(guān)參數(shù)

航攝儀相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 航攝儀主要技術(shù)指標

3. 外業(yè)控制點布設

圖1中三角標示的地方是激光檢校后檢核點的位置，要求外業(yè)應盡量在三角范圍內(nèi)平坦無遮蓋的地方打點，不能打在路沿、田埂及坎等高程突變地物上。長條框范圍內(nèi)是寬闊馬路，外業(yè)需沿馬路每隔5 m打一個點，盡量打在馬路中間的平坦硬化水泥路面上，不能打在路邊沿及花圃等地物上。這些每隔5 m量測的外業(yè)點是作為此次檢校用的控制點，考慮到距離檢校對激光測距高程精度的影響較大，為了保證激光點的高程精度，本次沿路采集的距離檢校點并沒有使用RTK進行采集，而是采用從當?shù)匾阎c拉水準的方式獲取，最大限度地保證了距離檢校點的高程精度[1]。

4. 航跡解算及精度分析

航跡解算精度主要是指在檢校飛行中GPS的定位精度，軌跡數(shù)據(jù)的處理精度會直接影響后期的相機檢校、激光檢校及空中三角測量等各項處理精度，因此非常重要。其精度指標主要有以下三項：① GPS的正反算誤差，要求不超過5 cm；② 激光設備的定位精度，同樣要求不超過5 cm；③ PDOP值，即衛(wèi)星的分布狀態(tài)，該數(shù)值不能大于2.5(值越大表示衛(wèi)星越少或分布越不均勻)。

航跡解算前要事先確定GPS的偏心分量，本次檢校飛行設備為反向安裝，即激光掃描頭和相機裝在飛機尾部，從機尾向機頭看過去，GPS天線整體位于整套設備的左前方，如圖3所示。

2.2.3 瓜秧整枝：根據(jù)該品種的特性，每株只留一個瓜。一般采用三蔓整枝方式，當主蔓長到30長，每株選留長勢均勻的健壯側(cè)蔓，多余的側(cè)蔓及早去掉，一般選留第2～3雌花坐果，主蔓坐不住果時側(cè)蔓雌花坐果。

圖3 飛行設備安裝示意圖

實測GPS天線到量測點的距離為x=1.632 m，y=0.074 m，z=1.106 m, 而量測點到坐標系原點的固定距離值為x=0.544 m，y=0.076 m，z=0.343 m，因此計算出實際的偏心分量值應為

X=-(1.632+0.544)= -2.176 m

Y=+(0.074+0.076)= +0.150 m

Z=-(1.106+0.343)= -1.449 m

由于福建省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)項目已建成并投入使用，可以實時提供下載CORS數(shù)據(jù)加以應用，因此本次試驗采用基站數(shù)據(jù)和精密星歷數(shù)據(jù)兩種方式進行解算比較。注意采用基站數(shù)據(jù)方式進行解算時，要考慮GPS差分值是固定解還是浮動解。圖4、圖5為使用基站數(shù)據(jù)解算后的結(jié)果。圖4—圖7中兩條豎線范圍內(nèi)為有效數(shù)據(jù)的波形圖。

從圖4左側(cè)指標可以看出，基站數(shù)據(jù)解算的GPS的正反算誤差在X方向和Y方向可以滿足精度，但在Z方向達不到5 cm的精度；右側(cè)指標顯示GPS差分值為固定解2，滿足要求。從圖5左側(cè)指標可以看出設備的定位誤差在X、Y、Z方向都沒有超過5 cm，符合精度要求；右側(cè)指標顯示PDOP值局部達到了4以上，不能滿足要求。后續(xù)還需要進行更多數(shù)據(jù)測試來分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因。

圖6、圖7為采用精密星歷數(shù)據(jù)解算結(jié)果。

圖4 基站數(shù)據(jù)解算的GPS正反算誤差

圖5 基站數(shù)據(jù)解算的激光設備定位精度

圖6 精密星歷數(shù)據(jù)解算的GPS正反算誤差

從上面的結(jié)果可以看出，通過精密星歷數(shù)據(jù)解算的航跡文件的3個精度指標都滿足要求，因此獲得的航攝數(shù)據(jù)可以用做進一步的檢校工作。

圖7 精密星歷數(shù)據(jù)解算的激光設備定位精度

5. 激光檢校

激光檢校主要是消除兩個方面的誤差：① IMU系統(tǒng)與激光掃描儀的角度安置誤差[2]；② 激光測距儀所測的距離與實際距離間的誤差。ALS70系統(tǒng)有A、B兩個波段，需要分開。以波段A為例：先作角度安置檢校，再作距離檢校。

1) roll(側(cè)滾)檢校：選擇反向?qū)︼w的航線A08.las和B08.las，在Terra Scan中按航帶顯示，沿垂直于航線方向的平坦區(qū)域拉剖面，本例中剛好有馬路，因此直接沿馬路拉斷面。由于roll的影響，在剖面的兩端會產(chǎn)生差異。分別量測出兩段的距離H1=10.176 m，H2=11.608 m,兩量測點之間的距離L=1 917.645 m，利用公式roll=(H1+H2)/2/L，可以得到roll檢校值為0.005 679 879，將該值填入ALSPP中重新生成LAS數(shù)據(jù)，可以看到roll值得到改正，差異減小。

2) pitch(俯仰)檢校：選擇反向?qū)︼w的航線A08.las和B08.las，在Terra Scan中按航帶顯示，選擇航線中心處屋脊線垂直于航線方向的尖頂房，在屋頂上沿平行于航線的方向拉剖面。由于pitch的影響，屋頂會產(chǎn)生明顯的位移，量測出距離H=2.534 m，該航線的相對航高L為2314 m，利用公式pitch=H/2/L，可以得到pitch檢校值為0.000 547 598，填入ALSPP中重新生成LAS數(shù)據(jù)，可以看到pitch值得到改正，尖屋頂趨近于重疊。

3) heading(偏航)檢校：選擇平行航線A08.las和A09.las，在Terra Scan中按航帶顯示，在A08航線的中心及A09航線的邊緣有一處在航線設計時選擇好的尖頂建筑，該尖頂房的屋脊線垂直于航線方向，在屋頂上沿平行于航線的方向拉剖面。由于heading的影響，屋頂也會產(chǎn)生明顯的偏移，同樣量測偏移距離H=1.945 m ，該量測點到A09航線中心的距離L為746.543 m，利用公式heading=H/L，得到heading檢校值為-0.002 605 927，填入ALSPP中重新生成LAS數(shù)據(jù)，可以明顯看到heading值得到改正，屋頂幾乎重疊。

需要注意的是，roll、 pitch、 heading檢校的過程實際上是一個多次迭代、逐漸趨近的過程，3個檢校值之間會相互影響，尤其是roll值對其他兩個影響較大，每次都需要按照roll、pitch、heading的順序來檢校；同時要特別注意檢校值的正負號，如果重新生成的數(shù)據(jù)偏移值沒有消除，反而比之前增大，說明符號取反了，需重新填入計算，多次反復，直至取得最佳檢校數(shù)據(jù)值。

4) 距離檢校：按照航線和外業(yè)布控設計，在A05線的中心有一條平直的馬路，外業(yè)沿馬路每隔5 m采集一個控制點。設置掃描線的裁切角度為-7°～+7°，裁出航線中心部分，將生成的LAS數(shù)據(jù)導入Terra Scan中輸出控制點的誤差報告，如圖8所示。

圖8 第一次計算控制點精度

將得到的激光測距儀的距離改正值A(chǔ)verage dz=+0.076 5填入ALSPP中重新生成LAS數(shù)據(jù)，同時再將外業(yè)采集的路面控制點坐標導入，輸出控制點報告，如圖9所示。

圖9 第二次迭代計算控制點精度

從圖9中可以看出，Average dz值接近于0，高程誤差均方差Std deviation小于5 cm，這是判斷距離檢校是否作好的依據(jù)。作距離檢校時應注意在輸出控制點報告之前最好對點云進行地面點分類，去除在路面上的汽車等物體，以免影響改正值的精度[3]。

以上是以A波段為例，對B波段實施同樣的操作后，多次迭代趨近后可以得到角度檢校值分別為：

roll 0.006 021 451

pitch 0.000 720 046

heading -0.002 535 124

Average dz0.005 38

6. 精度評定

當A、B波段的角度檢校及距離檢校都完成后，用得到的檢校值將所有檢校航線輸出LAS數(shù)據(jù)，然后進行地面點分類，這時可以用外業(yè)檢查點來檢測最終的點云精度，在這次試驗中，最終獲得的精度如圖10所示。

圖10 檢校場點云精度

從圖10中可以看到試驗中布設的檢校場點云的高程均方差Std deviation為0.059 6 m，即高程精度達到5.96 cm，完全滿足項目的設計要求。

四、總 結(jié)

通過試驗可以看出，檢校場應盡量選取有較寬較長且比較直的硬化路面的地點，且附近還要有一個尖頂?shù)慕ㄖ?，為了更好地量測精度，最好建筑物的占地面積要大些。航跡解算的精度會影響整個檢校結(jié)果，3個精度指標都是硬性的，必須一一達到。按以往的經(jīng)驗，采用基站數(shù)據(jù)解算的精度要高于精密星歷的解算精度，但是在本次試驗中卻沒有得到相應的結(jié)果，原因有可能是：① 本次檢校飛行是在下午進行的，衛(wèi)星信號較弱；② CORS站數(shù)據(jù)1 Hz的采樣頻率不夠高，徠卡公司建議采樣頻率為2 Hz。在進行激光檢校時，每個檢校步驟中都應盡可能地多量測幾個數(shù)值取平均來減少誤差，經(jīng)過反復多次迭代解算才能得到最優(yōu)檢校參數(shù)。

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