謝春喜

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

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機載Lidar點云精度檢測及誤差控制措施

謝春喜

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

Accuracy Detection and Error Control Measure of Airborne Lidar Point Cloud

XIE Chunxi

摘要機載Lidar技術(shù)集成了激光、POS、計算機、航空攝影測量等多種技術(shù)，相對于傳統(tǒng)航測技術(shù)，具有點云密度高、工作效率快、受天氣影響程度小、數(shù)據(jù)精度高、成果豐富等特點。結(jié)合實際工程項目，應(yīng)用檢測裝置進行機載Lidar點云精度檢測，并總結(jié)出機載Lidar點云數(shù)據(jù)處理過程中的誤差控制措施。

關(guān)鍵詞點云檢校GPS 測量精度檢核誤差來源

機載激光雷達系統(tǒng)是一種集全球?qū)Ш较到y(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)與激光掃描儀于一體，用于獲取三維信息的遙感系統(tǒng)。機載激光雷達技術(shù)作為一種信息獲取的全新手段，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)的新突破，被視為航天、航空領(lǐng)域中最具代表性的高新測繪技術(shù)之一[1，2]。機載激光掃描傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，可直接獲取真實地面的高精度三維地形信息。與其他遙感技術(shù)相比，該技術(shù)具有點云密度高、工作效率快、受天氣影響程度小、數(shù)據(jù)精度高、成果豐富等特點，使其在地形測繪、鐵路勘測、資源調(diào)查等領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，機載Lidar已成為工程航測領(lǐng)域的新生代力量，而其精度將影響該技術(shù)大規(guī)模工程化應(yīng)用的廣度和深度。為此，精度檢測和誤差控制是進一步大規(guī)模深化應(yīng)用前必須要做而且首先要做的基礎(chǔ)性工作[3-5]。

1工作原理

機載Lidar系統(tǒng)的主要組成部分如圖1所示[6-7]：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，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成像裝置(CCD相機)，用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像，制作正射影像或其他專題圖。

圖1　機載Lidar主要組成部分和工作原理

航攝時，由差分全球定位系統(tǒng)確定傳感器在空中的三維精確位置，由姿態(tài)測量裝置(IMU)測定飛機的仰俯角、側(cè)滾角和航向角，由激光測距儀直接測量地形起伏情況。其對地定位原理為[8]:

假設(shè)傳感器在空中的投影中心G點的三維坐標(XG，YG，ZG)已知，傳感器投影中心到待定點P(XP，YP，ZP)的矢量S可以精確測出，根據(jù)矢量求解原理，可以求出待定點P的三維坐標。

式中：b=cosω·sinα·cosκ+sinκ·sinω

傳感器在空中的投影中心G點的三維坐標(XG，YG，ZG)由差分GPS 提供；傳感器空中姿態(tài)參數(shù)(φ,ω,κ)由IMU提供，θ為激光測距點P對應(yīng)的像元與掃描周期內(nèi)中間像元(即所謂的機下點)之間的夾角，由激光掃描器給出。上述(X0，Y0，Z0,φ，ω，κ，θ,S)均為已知，即可求出任意待定點的三維坐標(Xi，Yi，Zi)。

2機載Lidar點云和影像精度檢測

2.1機載Lidar點云平面精度檢測

Lidar點云盡管有一定的密度，但相對于影像而言是離散的，因此不能用檢測影像平面精度的方式檢測點云平面精度[9]。由于點云均勻且盲目分布的特點，也不能像全站儀那樣通過特定點來檢測其平面精度。為此，通過直線擬和求交叉點的方法來檢測點云平面精度。

黑龍江省哈爾濱某設(shè)定檢測區(qū)，丘陵地形，植被覆蓋率約70%，以3個相對航高總計飛行14條航線，其中相對航高1 350 m的4條，1 200 m的2條，600 m的8條，平均點間距0.45 m，點云密度5個點/m2。實驗中用到了發(fā)明專利[10]—機載激光雷達點云平面精度檢測裝置和另一種自制的點云平面檢測裝置(如圖2、圖3所示)。

圖2　點云平面精度檢測裝置

圖3　點云平面精度檢測自制裝置

實際飛行航線和裝置分布情況見圖4、圖5。

圖4　數(shù)據(jù)獲取航跡

圖5　點云平面精度檢測裝置分布

首先，根據(jù)高程檢測出打到裝置上的點云，然后應(yīng)用線性回歸分析法擬和出反射天線，最后根據(jù)3條反射天線(檢測裝置)或兩條反射天線(自制裝置)計算交叉點坐標。

將擬和后求交叉點坐標與按照四等GPS實測的外業(yè)坐標成果進行比對，其差值統(tǒng)計如表1。

統(tǒng)計得出實測坐標與擬和坐標差值在X方向中誤差為0.049 m，Y方向中誤差為0.032 m。

表1　點云平面檢測裝置點云擬和坐標與GPS實測坐標差值　m

2.2機載Lidar點云高程精度檢測

在測區(qū)布設(shè)9塊材質(zhì)相同的平板來檢測點云高程精度，布設(shè)后平板的四角和中心的高差不超過5 mm(如圖6)。

圖6　點云高程精度檢測裝置

統(tǒng)計出落在每塊平板上點云的高程均值，然后與四等水準測得的平板高程值進行比對，其差值統(tǒng)計如表2。

表2　點云高程檢測裝置點云高程與GPS實測高程差值　m

統(tǒng)計得出實測高程與Lidar高程差值中誤差為0.041 m。

將檢測區(qū)的點云根據(jù)高程控制點進行GeoID改正，在具有一定坡度呈“十”字交叉的兩條公路上實測了60個高程點，將經(jīng)過GeoID改正后的地面點云與實測路面高程點進行比對，其高程中誤差為0.037 m。

2.3機載Lidar影像平面精度檢測

在檢測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了9個地面標志，應(yīng)用無約束自由網(wǎng)平差和約束平差分別進行空三加密，然后與檢查點進行精度檢核。

(1)自由網(wǎng)平差

基于POS數(shù)據(jù)進行無約束空三加密，在影像上量測出的地面標志坐標與四等GPS實測的坐標進行比對，差值如表3。

表3　自由網(wǎng)平差后地面標志立體量測值與實測值差值　m

統(tǒng)計得出X方向中誤差為0.196 m，Y方向中誤差為0.124 m，Z方向中誤差為0.151 m，Z方向的立體量測值比GPS實測值高出0.725 m。

(2)約束網(wǎng)平差

基于POS數(shù)據(jù)，采用4個控制點進行約束平差，在立體像對上量測出3個檢核點坐標與四等GPS實測的坐標進行比對，差值如表4。

表4　約束網(wǎng)平差后地面標志立體量測值與實測值差值　m

統(tǒng)計得出X方向差值中誤差為0.158 m，Y方向差值中誤差為0.099 m，高程差值中誤差為0.119 m，高程的立體量測值比水準實測值低0.013 m，相對于無約束平差而言，高程值與水準實測值更加接近、精度更高。因此，應(yīng)在約束網(wǎng)平差后的立體像對上采集地形特征線和特征點，用于制作精細DEM成果。

2.4點云平面精度與影像平面精度對比

實驗中在7個已知點上同時設(shè)置點云檢測裝置和影像檢測標志，采用點云擬合反射天線求交叉點坐標得到已知點坐標，并且在約束網(wǎng)平差后的立體像對上量測已知點坐標，得到兩套坐標及差值(如表5)。

表5　點云與影像平面精度對比　m

統(tǒng)計得出X方向差值中誤差為0.096 m，Y方向差值中誤差為0.144 m，表明點云平面精度較高，后續(xù)處理時應(yīng)以點云數(shù)據(jù)為基準改正影像的平面位置，進而提高立體采集DLG和制作DOM的精度。

3機載Lidar誤差控制措施

3.1POS解算

POS系統(tǒng)是機載激光探測與測距系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是必備的部件，其核心思想是采用動態(tài)差分GPS技術(shù)和慣性測量裝置直接在飛行中測定傳感器的位置和姿態(tài)，并經(jīng)嚴格的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理(即卡爾曼濾波)，獲得高精度的傳感器外方位元素，從而實現(xiàn)無或極少地面控制的傳感器定位和定向。

機載Lidar采用動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用安裝在Lidar上的動態(tài)GPS接收機，與設(shè)在一個或多個基準站的至少兩臺GPS信號接收機同步而連續(xù)地觀測CPS衛(wèi)星信號，同時記錄瞬間激光和數(shù)碼相機開啟脈沖的時間標記，通過載波相位測量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取Lidar的三維坐標。由此可見，GPS信號強度對POS解算后得到的外方位元素成果精度至關(guān)重要。為此，在飛行前務(wù)必進行GPS星歷預(yù)測，選擇GPS星歷好的時間段進行檢校場數(shù)據(jù)獲取，條件容許的話設(shè)置兩個及以上地面基站，附件如有CORS站宜優(yōu)先采用。采用POS解算軟件進行解算時應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量分時段進行解算。

3.2Lidar檢校

目前，Lidar檢校有手工檢校、基于特征面、基于特征線三種檢校方式，基于特征線方式檢校效率最高，并且對檢校場的地形地貌條件要求相對較低。因此，一般采用基于特征線的Lidar檢校方式。為了得到較好的檢校精度應(yīng)選擇植被覆蓋少、有一定地形起伏、硬質(zhì)路面和尖頂房較多的區(qū)域作為檢校場。檢校時首先分條帶進行點云濾波分類，分離出地面點和建筑物點，根據(jù)點云密度情況設(shè)置搜尋連接線的最佳參數(shù)(搜索范圍，連接線長度，XY方向最大容許誤差，Z方向最大容許誤差等)。然后調(diào)整連接線，其中包括刪除選定的連接線或者大于某一限差的連接線，同時可以增加地面線、斷面線、已知線等，最后根據(jù)自動尋找的連接線和手動增加的連接線解算出檢校參數(shù)。

3.3波動改正

Lidar檢校消除了系統(tǒng)安置誤差，對飛行過程中由于GPS信號問題可能會造成局部漂移誤差所做的波動改正是提高機載Lidar數(shù)據(jù)精度的另一重要環(huán)節(jié)。

計算當前特征線相對于通過多航帶數(shù)據(jù)得到的特征線平均位置改正量，航跡線解算后得到的每條航跡定位精度估計值在計算平均位置時將轉(zhuǎn)換為權(quán)重因子，低精度條帶上的特征線將獲得更大的改正量，高精度條帶上的特征線將獲得更小的改正量。根據(jù)改正量擬和出改正曲線，然后對所有點云數(shù)據(jù)進行改正。處理時需要調(diào)整波動曲線的光滑度，光滑度與航跡定位精度估計值密切相關(guān)，當精度估計值低時采用更大的改正值。權(quán)重因子決定改正曲線的變化速率，權(quán)重因子愈小改正曲線愈光滑。連接線質(zhì)量不太好并且可能包含異常值時應(yīng)采用較小的權(quán)重因子，連接線質(zhì)量較高時，應(yīng)該采用較大的權(quán)重因子。

統(tǒng)計波動改正前后6條航線間共20個點處的接邊差，見圖7。

圖7　平差前后接邊差對比

可見，經(jīng)過波動改正后航線間的接邊差得到明顯改善。

4結(jié)論

從點云平面裝置檢測實驗得出的結(jié)果看， Lidar點云的平面精度與高程精度處于同級水平，只是由于Lidar點云的離散性才使得其平面精度受到點云間距的限制，為此可用影像彌補平面精度不足，加上激光雷達點云本身較高的高程精度，將在鐵路勘測領(lǐng)域擔當更加重要的角色，發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻

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中圖分類號：P225.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0019-04

作者簡介：謝春喜(1983—)，男，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-15