黃華平 林國(guó)慶 劉建軍 繆志修

(中鐵二院測(cè)繪工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610031)

1 概述

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是一門集激光測(cè)距、GPS測(cè)量、IMU姿態(tài)測(cè)量技術(shù)于一體的主動(dòng)式測(cè)量技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在公路、鐵路和石油管道勘測(cè)設(shè)計(jì)，以及電力巡線、三維數(shù)字城市等方面。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)之所以能夠快速獲取地面物體精確的三維真實(shí)坐標(biāo)，主要是依靠GPS(機(jī)載GPS+地面GPS基站)測(cè)量出飛機(jī)的飛行軌跡，IMU測(cè)量出飛機(jī)的瞬時(shí)飛行姿態(tài)參數(shù)，然后利用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)差分GPS數(shù)據(jù)和IMU姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，得到每一個(gè)激光腳點(diǎn)的精確坐標(biāo)?；贗GS參考站精密星歷和精密鐘差改正的PPP(Precise Point Positioning)解算技術(shù)可以省去地面GPS基站的架設(shè)和測(cè)量，而且可以節(jié)省不少成本，是近年測(cè)繪界研究熱點(diǎn)。但采用PPP解算技術(shù)可能導(dǎo)致精度降低和不穩(wěn)定，在工程中還是很少有人敢于使用。因此，地面GPS基站的布設(shè)就顯得非常重要。利用工程項(xiàng)目中的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就實(shí)際生產(chǎn)中地面GPS基站架設(shè)距離對(duì)Lidar測(cè)量高程精度的影響進(jìn)行探討，希望對(duì)特殊情況下Lidar測(cè)量中地面GPS基站架設(shè)距離設(shè)定有一定的參考作用。

2 影響Lidar測(cè)量高程精度的因素

Lidar系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的集成測(cè)量系統(tǒng)，影響精度的因素非常復(fù)雜。正常情況下，影響高程精度的主要因素包括激光測(cè)距誤差、GPS動(dòng)態(tài)定位誤差、IMU姿態(tài)測(cè)量誤差、系統(tǒng)集成誤差以及由于平面誤差引起的二類高程誤差等。

激光測(cè)量的精度本身就很高，加上Lidar系統(tǒng)在通過(guò)廠家檢校消除大的誤差后，在常規(guī)測(cè)量中的精度基本可以達(dá)到厘米級(jí)。IMU測(cè)角誤差以POS AV510為例，可以達(dá)到0.008度，對(duì)于高程精度的影響在1 500 m飛行高度的情況下處于亞厘米級(jí)的水平。系統(tǒng)集成誤差主要是IMU、激光傳感器、機(jī)載GPS等安裝完成后各自的參考坐標(biāo)系坐標(biāo)軸不平行引起的，通過(guò)檢校場(chǎng)檢?？梢杂行?。GPS動(dòng)態(tài)定位誤差主要受對(duì)流層和電離層延遲、多路徑效應(yīng)、鐘差等引起。在眾多影響高程精度的誤差來(lái)源中，GPS動(dòng)態(tài)定位誤差是目前影響機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度的最主要的誤差來(lái)源之一，一般為厘米級(jí)到分米級(jí)[1］。

當(dāng)前主要采用的GPS差分技術(shù)是通過(guò)GPS相對(duì)定位方式，構(gòu)建差分觀測(cè)量來(lái)消除對(duì)流層、電離層、衛(wèi)星鐘差等誤差的影響，從而獲得高精度GPS定位結(jié)果。隨著地面GPS基站距離的增加，對(duì)流層延遲、電離層延遲等誤差的相關(guān)性減弱，GPS差分結(jié)果的預(yù)期精度將會(huì)逐漸降低。GPS測(cè)量的高程方向誤差一般是平面的2倍，也就直接導(dǎo)致機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)高程精度的急劇下降。

3 基站距離對(duì)高程精度影響的工程案例分析

3.1 工程案例1

(1)GPS地面基站布設(shè)

本項(xiàng)目位于重慶萬(wàn)州地區(qū)，整個(gè)區(qū)域?qū)儆诘蜕降貐^(qū)，最大高差約為400 m。攝影采用新引進(jìn)的加拿大Optech Gemini機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)飛行高度為相對(duì)航高1 100 m，激光發(fā)射頻率為100 kHz，地面激光腳點(diǎn)密度為2～3 dots/m2。

考慮到地面GPS基站距離對(duì)Lidar高程精度的影響，直接關(guān)系到獲取數(shù)據(jù)的精度能否滿足項(xiàng)目要求和項(xiàng)目成本，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外實(shí)施Lidar攝影時(shí)基站距離的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，布設(shè)了64 km、36 km、11 km和7 km四個(gè)基站。

(2)精度統(tǒng)計(jì)分析

為確保精度統(tǒng)計(jì)的正確性，在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇了一條1 km長(zhǎng)的平整道路，利用全站儀每隔20 m左右測(cè)量出高程點(diǎn)的準(zhǔn)確高程，測(cè)量精度優(yōu)于5 cm，共測(cè)量569個(gè)高程點(diǎn)。精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 萬(wàn)州項(xiàng)目不同基站距離Lidar高程精度統(tǒng)計(jì)

(3)結(jié)論

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本項(xiàng)目基站距離為64 km和10 km左右時(shí)Lidar高程精度的變化不大，都在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且都小于10 cm，精度遠(yuǎn)高于預(yù)期精度。分析原因是攝區(qū)位于城市區(qū)域，Lidar攝影范圍內(nèi)基本為裸露的地面、道路和房屋，沒(méi)有太多的植被，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、分類后的高程精度高。同時(shí)，檢查控制點(diǎn)也都選取在地面明顯的地物點(diǎn)上，測(cè)量和辨認(rèn)精度也非常高。

3.2 工程案例2

(1)GPS地面基站布設(shè)

本項(xiàng)目位于東南亞地區(qū)，全線320余公里區(qū)域內(nèi)植被比較發(fā)達(dá)，熱帶灌木叢非常多，地形等級(jí)從Ⅰ級(jí)到Ⅳ級(jí)(山區(qū)Ⅳ級(jí)地形居多)，最大高差約為1 500 m。攝影采用Leica ALS50II機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)飛行高度為相對(duì)航高800～1 000 m，激光發(fā)射頻率為125 kHz，地面激光腳點(diǎn)密度為3～4 dots/m2。

由于地形條件所限，很多地方屬于荒無(wú)人煙的原始森林地區(qū)，基站距測(cè)區(qū)距離40～60 km(最遠(yuǎn)處約63 km)，全線共布設(shè)7個(gè)地面GPS基站。

(2)精度統(tǒng)計(jì)分析

由于本項(xiàng)目Lidar攝影過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)工作正在進(jìn)行，檢查控制點(diǎn)選用了勘測(cè)中實(shí)測(cè)的線路中樁點(diǎn)成果，全部成果均使用GPS RTK測(cè)量，高程精度優(yōu)于5 cm，檢查點(diǎn)在不同的兩個(gè)區(qū)域。精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 東南亞項(xiàng)目不同基站距離lidar高程精度統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目中精度統(tǒng)計(jì)是成果轉(zhuǎn)換至正常高后進(jìn)行的，誤差中包含大地高至正常高的轉(zhuǎn)換誤差。同時(shí)，測(cè)區(qū)內(nèi)植被覆蓋嚴(yán)重，Station L2檢查范圍內(nèi)最大誤差－1.412 m出現(xiàn)在樹(shù)林內(nèi)，濾波分類精度較差，而且高程較差小于1倍中誤差的為67%，小于2倍中誤差的占95%。

(3)結(jié)論

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)?shù)孛鍳PS基站距離達(dá)到60 km以上后，精度有明顯下降，排除植被影響，仍然在可以接受的范圍內(nèi)，大部分可以滿足鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度要求。當(dāng)然，對(duì)于植被覆蓋茂密的區(qū)域，Lidar成果還需要現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)和修測(cè)，以保證最終成果滿足要求。

3.3 工程案例3

(1)GPS地面基站布設(shè)

本項(xiàng)目位于我國(guó)新疆天山地區(qū)，全線200余公里區(qū)域內(nèi)基本沒(méi)有植被，屬于沙漠戈壁地區(qū)過(guò)渡到山區(qū)，地形等級(jí)從Ⅰ級(jí)到Ⅳ級(jí)，最大高差約為1 400 m。攝影采用Optech Gemini機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，飛行高度為相對(duì)航高1 500 m，激光發(fā)射頻率為100 kHz，地面激光腳點(diǎn)密度為1～2 dots/m2。

(2)精度統(tǒng)計(jì)分析

本項(xiàng)目在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇了平坦河道區(qū)域，利用GPS快速靜態(tài)方法測(cè)量了多處檢查散點(diǎn)(每處約30點(diǎn)左右)，外加沿線高等級(jí)控制點(diǎn)，高程測(cè)量精度均優(yōu)于5 cm。精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 新疆項(xiàng)目不同基站距離Lidar高程精度統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)均采用gps大地高成果，誤差不含高程轉(zhuǎn)換誤差，統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)范圍無(wú)植被覆蓋，點(diǎn)云濾波分類精度較高。在距離達(dá)到100 km的時(shí)候，高程較差小于1倍中誤差的為64%，小于2倍中誤差的占94%。

(3)結(jié)論

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本項(xiàng)目中當(dāng)基站距離在40～100 km范圍變化時(shí)，Lidar點(diǎn)云的高程精度的雖然有所下降，但不太明顯，都在同一數(shù)量級(jí)，而最大誤差值有0.2 m的變化。單純從中誤差的角度來(lái)看，仍然滿足鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

各品牌Lidar系統(tǒng)廠家推薦的測(cè)區(qū)至基站距離都在30 km左右，目前各單位在進(jìn)行Lidar攝影時(shí)普遍采用30～40 km的基站控制范圍，以確保Lidar攝影成果能夠達(dá)到1∶2 000甚至1∶500成圖的精度要求。但是，出于成本考慮或者在特殊情況下基站布設(shè)困難時(shí)，適當(dāng)加大基站的距離，Lidar攝影成果的高程精度仍然能夠滿足工程項(xiàng)目對(duì)高程精度的要求。當(dāng)基站距離較遠(yuǎn)時(shí)，為提高lidar成果的高程精度，建議在Lidar系統(tǒng)完成初始化進(jìn)入測(cè)區(qū)時(shí)，選擇靠近基站端進(jìn)入，然后開(kāi)始攝影，確保POS系統(tǒng)初始化精度高，利于提高攝影成果的整體精度。

適當(dāng)加大距離對(duì)于高程精度的影響不會(huì)太大，但各地地形條件以及GPS信號(hào)好壞等因素復(fù)雜多變，在基站距離選擇上要根據(jù)具體應(yīng)用要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定，攝影的時(shí)間也要選擇避開(kāi)GPS信號(hào)不好的時(shí)段，爭(zhēng)取最好的預(yù)期精度和合適的項(xiàng)目成本。

[1]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2007

[2]劉經(jīng)南，張小紅，李征航.影響機(jī)載激光掃描測(cè)高精度的系統(tǒng)誤差分析[J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(2)

[3]劉基余，李松.機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)測(cè)深誤差源的研究[J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(6)