孫黎明，鄧清軍，凌學(xué)才

（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

機(jī)載激光雷達(dá)檢校場(chǎng)布置方案研究

孫黎明，鄧清軍，凌學(xué)才

（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

摘要：激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式對(duì)地三維測(cè)量技術(shù)，能直接高效地獲得高精度地表信息，本文對(duì)其工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成、誤差源進(jìn)行介紹，并結(jié)合固定翼機(jī)載激光雷達(dá)飛行項(xiàng)目，對(duì)如何合理布置檢校場(chǎng)獲取各種誤差真值提出了相應(yīng)的解決方案，并對(duì)飛行航線、基站點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)和數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；誤差源；檢校場(chǎng)；基站；數(shù)據(jù)處理。

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種集高精度動(dòng)態(tài)DGPS技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、高精度姿態(tài)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新興測(cè)量技術(shù)。通過(guò)激光測(cè)距儀得到的測(cè)距信息聯(lián)合姿態(tài)測(cè)量模塊得到的姿態(tài)信息和高精度差分GNSS得到的位置信息，通過(guò)解算獲得高精度的三維坐標(biāo)和高分辨率的數(shù)字地面模型，可高效、低成本、高精度地獲取三維空間地理信息數(shù)據(jù)。

1　激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)基本原理簡(jiǎn)介

1.1激光雷達(dá)測(cè)量原理

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是集激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的三維空間信息采集系統(tǒng)。激光雷達(dá)（LIDAR）是光探測(cè)和測(cè)距的簡(jiǎn)稱，一種將激光用于回波測(cè)距和定向，并通過(guò)位置、徑向速度及物體反射特性等信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)。

激光雷達(dá)測(cè)距分為脈沖測(cè)距法和相位測(cè)距法。脈沖測(cè)距法基于測(cè)量脈沖收/發(fā)時(shí)間延遲原理，即：R=（1/2）CT，式中R是被測(cè)目標(biāo)的距離，C是光速常數(shù)值，T是脈沖往返時(shí)間。相位測(cè)距法是連續(xù)波雷達(dá)所采用的方法，基于測(cè)量回波與發(fā)射信號(hào)間的相位延遲。

1.2機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要有四部分構(gòu)成：激光雷達(dá)測(cè)距單位、慣導(dǎo)系統(tǒng)（POS）、控制中心及數(shù)碼相機(jī)，各部分間協(xié)作關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成圖

2　機(jī)載激光雷達(dá)的誤差源

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)有多種設(shè)備集合而成，其精度受到各個(gè)組成部分的誤差影響，這些誤差能直接影響到激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的精度。機(jī)載LIDAR誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，研究誤差來(lái)源對(duì)提高激光雷達(dá)成果精度具有重要的作用。

2.1GNSS定位誤差

目前，GNSS定位誤差是影響機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度的最主要誤差源之一，主要包括衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射、多路徑效應(yīng)、觀測(cè)噪聲、整周模糊度求解誤差等。

2.2激光測(cè)距誤差

激光測(cè)距儀是機(jī)載LIDAR系統(tǒng)中的核心部件，激光產(chǎn)生、傳播、返回等過(guò)程受到多種因素影響，因此在所有誤差中，測(cè)距誤差是最復(fù)雜的，主要包括：激光測(cè)距儀器誤差、大氣折射誤差、地物反射誤差。

2.3測(cè)角誤差

主要有以下三種：

（1）掃描角誤差：理論上，要求旋轉(zhuǎn)掃描鏡電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但在設(shè)計(jì)時(shí)不能完全保證勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和掃描鏡的任何震動(dòng)都會(huì)帶來(lái)掃描角誤差。

（2） 姿態(tài)角誤差：IMU測(cè)量姿態(tài)誤差包括設(shè)備安置誤差、加速度計(jì)常數(shù)誤差、加速度計(jì)比例誤差、陀螺儀漂移、軸承間的非正交性、重力模型誤差、大地水準(zhǔn)面誤差等。

（3） 發(fā)散角誤差：理論上認(rèn)為激光束是一條直線，但實(shí)際上光束在傳播過(guò)程中存在發(fā)散角β，其能產(chǎn)生的角度誤差最大為β/2。

2.4集成誤差

（1）偏心量誤差：主要是激光發(fā)射參考點(diǎn)在慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的偏心量誤差和GNSS天線相位中心在慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系中的偏心量誤差。

（2） 安置角誤差：包括航偏角誤差、俯仰角誤差和側(cè)滾角誤差，是指激光掃描參考坐標(biāo)系與慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系不平行而引起的誤差。

（3） 內(nèi)插誤差：激光測(cè)距脈沖信號(hào)頻率、IMU數(shù)據(jù)采樣頻率、GNSS采樣頻率不同，為了得到每個(gè)激光腳點(diǎn)的位置和姿態(tài)信息，就必須對(duì)GNSS、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，于是便產(chǎn)生內(nèi)插誤差。

（4） 時(shí)間同步誤差：激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)、差分GNSS定位系統(tǒng)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)IMU是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，具有不同的時(shí)間記錄裝置， 在統(tǒng)一時(shí)間系統(tǒng)時(shí)，如果存在時(shí)間偏差，就會(huì)影響定位結(jié)果。

3　檢校場(chǎng)布置設(shè)計(jì)

3.1布設(shè)依據(jù)

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)測(cè)量精度主要受到激光測(cè)距、搭載平臺(tái)的位置、姿態(tài)等方面的影響，數(shù)據(jù)誤差包括激光測(cè)距誤差、機(jī)載GNSS與激光掃描儀中心的偏心分量測(cè)量誤差、DGPS誤差、IMU與激光掃描儀之間的偏心及軸向角度誤差等。LIDAR設(shè)備每次拆卸安裝后，系統(tǒng)內(nèi)外方位元素發(fā)生了變化，需建立一個(gè)可以模擬飛行并布設(shè)一定控制點(diǎn)的檢校場(chǎng)，用數(shù)學(xué)方法，通過(guò)地面控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)，以此來(lái)確定內(nèi)外方位元素：航偏角、俯仰角、側(cè)滾角、偏心角、GNSS天線相位中心偏心量等。

機(jī)載激光掃描測(cè)距系統(tǒng)內(nèi)部誤差，需進(jìn)行測(cè)距、測(cè)角誤差改正測(cè)算，該過(guò)程一般由設(shè)備廠商完成，相應(yīng)參數(shù)由其提供。布設(shè)檢校場(chǎng)主要用于檢校安置誤差（roll/pitch/heading）和相機(jī)視準(zhǔn)軸。

3.2 檢校場(chǎng)選擇布設(shè)

結(jié)合2012年我院220 kV合福鐵路牽引站激光雷達(dá)航飛項(xiàng)目，以運(yùn)五為平臺(tái)搭載徠卡ADS60數(shù)碼航攝儀和ALS60激光雷達(dá)，介紹檢校場(chǎng)布置方案及注意事項(xiàng)。檢校場(chǎng)選擇需考慮飛行便利且具有線性關(guān)系好的明顯地物標(biāo)志，選擇在機(jī)場(chǎng)附近為宜。檢校航線布設(shè)原則如下：

（1）檢校場(chǎng)選擇需考慮飛行便利安全，選擇在測(cè)區(qū)或機(jī)場(chǎng)附近。

（2） 檢校場(chǎng)地形平坦，有明顯傾斜地形或線性關(guān)系好的明顯地物（如尖頂房等）。

（3） 檢校場(chǎng)不存在激光回波高吸收地物，即檢校場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)應(yīng)具有較高的反射率。

（4） 檢校場(chǎng)內(nèi)宜有較寬較長(zhǎng)且直的公路區(qū)域，便于檢校橫滾角。

（5） 檢校場(chǎng)區(qū)應(yīng)具有典型線性地物（如“人”形房屋）的區(qū)域，便于側(cè)滾角和俯仰角的檢校。

依據(jù)上述原則，選擇距離常州奔牛機(jī)場(chǎng)2 km，地物地貌線性明顯的運(yùn)河鎮(zhèn)布置檢校場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2　檢校場(chǎng)

3.3基站方案設(shè)計(jì)

（1）基站點(diǎn)應(yīng)選擇已有E級(jí)以上GNSS控制點(diǎn)，且具備WGS84坐標(biāo)。若無(wú)WGS84坐標(biāo)，可采用靜態(tài)采集平差獲得，靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)不小于8 h。

（2） 基站加密站址選擇應(yīng)滿足如下條件：開(kāi)闊，附近無(wú)電磁波干擾；站點(diǎn)交通、通訊條件良好，便于聯(lián)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸；避免閑雜人滋擾；設(shè)立在穩(wěn)定，便于保存的地點(diǎn)。

（3） 檢校場(chǎng)在測(cè)區(qū)時(shí)，應(yīng)確保兩基站間距離應(yīng)在30 km左右，保證線路離最近基站的距離不超過(guò)30 km。如果檢校場(chǎng)不在測(cè)區(qū)內(nèi)，檢校飛行時(shí)，需在檢校場(chǎng)附近布設(shè)一個(gè)地面基站（基站坐標(biāo)已知，基站所在坐標(biāo)系可與測(cè)區(qū)坐標(biāo)系不相同）。

（4） 基站觀測(cè)時(shí)間為飛機(jī)起飛前半小時(shí)，至飛機(jī)降落后半小時(shí)，采用連續(xù)觀測(cè)方式。

（5） 基站采樣頻率遠(yuǎn)大于一般靜態(tài)測(cè)量采樣頻率，數(shù)據(jù)采樣頻率不小于2 Hz，注意接收機(jī)存儲(chǔ)空間是否足夠。

3.4激光檢?？刂泣c(diǎn)布設(shè)要求

激光檢校主要有：視準(zhǔn)軸、距離、扭轉(zhuǎn)、傾斜、強(qiáng)度、脈沖轉(zhuǎn)換頻率、高程偏移等，依據(jù)其主要檢驗(yàn)內(nèi)容（視準(zhǔn)軸、距離），布設(shè)相應(yīng)的控制點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)。

（1）根據(jù)軟件預(yù)先計(jì)算的激光腳點(diǎn)間距，沿直線布設(shè)控制點(diǎn)，宜沿公路布設(shè)，間距根據(jù)激光腳點(diǎn)而定。一般利用GNSS-RTK進(jìn)行加密，精度指標(biāo)要求小于5 cm。

（2） 在中心區(qū)域均勻布設(shè)10～15個(gè)零散控制點(diǎn)，精度指標(biāo)小于2 cm。

（3） 控制點(diǎn)宜布設(shè)在路面上，且地物材料均勻。避免高低反射率交接地區(qū)，或突兀地物覆蓋范圍超過(guò)航高的航帶寬度，避免周圍地物遮擋，避免在陡坎和地物過(guò)渡邊界、便道邊緣布設(shè)。

3.5相機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)要求：

（1）在重疊中心區(qū)布設(shè)5～10個(gè)控制點(diǎn)，在航線四個(gè)邊緣區(qū)域總共布設(shè)5～10個(gè)控制點(diǎn)，精度小于5 cm。

（2） 控制點(diǎn)選取在地物特征點(diǎn)上，并做好點(diǎn)記錄和控制點(diǎn)照片存檔。

4　飛行航線設(shè)計(jì)

基于所采用的激光雷達(dá)設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)參數(shù)，制定合理的飛行方案，充分考慮成果數(shù)據(jù)技術(shù)要求、精度要求、點(diǎn)云密度、激光測(cè)距、飛行安全、航向重疊、旁向重疊等問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意下列情況：

圖3　激光檢校點(diǎn)（RED）相機(jī)檢校點(diǎn)（GREEN）

（1）檢校場(chǎng)區(qū)具有典型線性地物（如“人”形房屋）的區(qū)域進(jìn)行重疊飛行（如圖4中1、2航線）用于側(cè)滾角和俯仰角的檢校。

（2） 進(jìn)行平行航線飛行（如圖4中1、3航線）用于旋偏角的檢校。平行航線重疊度宜為50%。

（3） 應(yīng)至少包括一條約束航線，與其他檢校航線垂直交叉（如圖4中4航線），用于檢核和約束精度。

（4） 檢校飛行的視場(chǎng)角以測(cè)區(qū)使用的最大參數(shù)為準(zhǔn)。

圖4　LIDAR檢校航線布設(shè)示意圖

依據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)出合理的飛行航線，設(shè)計(jì)結(jié)束后導(dǎo)出航線參數(shù)表格，以方便機(jī)組人員使用。本項(xiàng)目利用Leica Mission Pro飛行計(jì)劃軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)1000 m和1500 m兩個(gè)飛行航高，共計(jì)9條航線。東西方向3條，南北方向6條，計(jì)算航向激光點(diǎn)最大間距2.4 m，橫向激光腳點(diǎn)最大間距0.8 m。

5　數(shù)據(jù)處理

飛行結(jié)束后，將基站GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)、航跡文件、影像數(shù)據(jù)等聯(lián)合處理，根據(jù)典型地物的偏差，計(jì)算獲得旋偏角、俯仰角、側(cè)滾角及相機(jī)參數(shù)校正值，使用這些數(shù)據(jù)重新解算檢校場(chǎng)各條航線的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，直至不同條帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)匹配良好，此時(shí)這些數(shù)據(jù)改正值才是用于測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)解算的理想值。利用徠卡激光雷達(dá)配套軟件處理220 kV合福鐵路牽引站線路檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖5。

表1　檢校點(diǎn)殘差

依據(jù)激光雷達(dá)檢校規(guī)程，檢校點(diǎn)殘差見(jiàn)表1滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)如何合理布置激光雷達(dá)檢校方案進(jìn)行研究，達(dá)到減小各項(xiàng)誤差目的，滿足具體工程需要。激光雷達(dá)技術(shù)與常規(guī)測(cè)量相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用分類后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及航空數(shù)碼影像數(shù)據(jù)可以直接生成DEM、DOM、DLG、DSM等數(shù)字成品，生產(chǎn)效率更高、工期更短。基于三維激光雷達(dá)技術(shù)生產(chǎn)的高精度4D數(shù)字化測(cè)繪成果是三維數(shù)字地球的核心基礎(chǔ)，必將對(duì)國(guó)土測(cè)繪、城市規(guī)劃、工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急等帶來(lái)深刻的影響。

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圖5　檢校數(shù)據(jù)處理流程

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中圖分類號(hào)：P2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2015）02-0015-05

* 收稿日期：2014-07-21

作者簡(jiǎn)介：孫黎明（1966- ），男，安徽阜陽(yáng)人，高級(jí)工程師，副總經(jīng)濟(jì)師，主要從事電力工程測(cè)量及管理工作。

Layout scheme of Fixed-wing Airborne Laser Radar Calibration Field

SUN Li-ming， DENG Qing-jun， LING Xue-cai
（Anhui Electric Power Design Institute， Hefei 230601， China）

Abstract：Lidar is a kind of Active Earth 3D measurement technology， can get high precision terrain information directly and efficiently， the working principle， system structure， error source are introduced， and combined with the fixed wing airborne radar flight project， true value and puts forward the corresponding solutions on how to arrange inspection field school access to a variety of errors， and the flight route， base station， detection point layout and data processing are summarized.

Key words：lidar； error source； control field； base station； data processing.