機(jī)載LiDAR檢校場(chǎng)布設(shè)及檢校技術(shù)探討

林先秀

(福建省測(cè)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(cè)量無法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有自動(dòng)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(diǎn)。機(jī)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(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)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(yīng)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(diǎn)云的分類提取、LiDAR數(shù)據(jù)濾波方法、點(diǎn)云高程數(shù)據(jù)精度檢核方法、激光雷達(dá)的誤差及檢校等。其中又以激光雷達(dá)的誤差及其校正技術(shù)最為關(guān)鍵，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到所獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性及精確度。本文就以某山區(qū)項(xiàng)目為例，從檢校場(chǎng)的布設(shè)、航跡解算、激光檢校等方面對(duì)該技術(shù)作一些試驗(yàn)性的測(cè)試研究。

二、誤差分類簡(jiǎn)述

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，主要包括:① 動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)，用于確定掃描投影中心的空間位置；② 姿態(tài)測(cè)量裝置(IMU),用于測(cè)量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；③ 激光掃描測(cè)距系統(tǒng)，用于測(cè)量傳感器到地面點(diǎn)的距離；④ 一套成像裝置(主要是數(shù)碼相機(jī)),用于獲取對(duì)應(yīng)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(gè)組成部分的共同影響，誤差來源很多也很復(fù)雜，可以分為量測(cè)誤差和集成誤差兩大方面。量測(cè)誤差主要包括測(cè)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(yàn)與分析

1. 布設(shè)檢校場(chǎng)

此次試驗(yàn)所依托的項(xiàng)目是福建某山區(qū)地市，項(xiàng)目總設(shè)計(jì)航攝面積約20 000 km2，要求采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，點(diǎn)云高程精度見表1。

表1 點(diǎn)云高程精度指標(biāo) m

由于項(xiàng)目涉及范圍較大，為了獲取相對(duì)精確的檢校數(shù)據(jù)，技術(shù)人員首先選取地勢(shì)相對(duì)平坦的城區(qū)來布設(shè)檢校場(chǎng)，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(shè)需求，如圖1所示。

圖1 檢校場(chǎng)及激光檢校外業(yè)布控設(shè)計(jì)

檢校航線設(shè)計(jì)如圖2所示，細(xì)長(zhǎng)航線為激光檢校航線，設(shè)計(jì)絕對(duì)航高2600 m，相對(duì)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(jī)檢校航線，本文不對(duì)相機(jī)檢校作論述。

圖2 檢校場(chǎng)航線設(shè)計(jì)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(biāo)

3. 外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)

圖1中三角標(biāo)示的地方是激光檢校后檢核點(diǎn)的位置，要求外業(yè)應(yīng)盡量在三角范圍內(nèi)平坦無遮蓋的地方打點(diǎn)，不能打在路沿、田埂及坎等高程突變地物上。長(zhǎng)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(gè)點(diǎn)，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(cè)的外業(yè)點(diǎn)是作為此次檢校用的控制點(diǎn)，考慮到距離檢校對(duì)激光測(cè)距高程精度的影響較大，為了保證激光點(diǎn)的高程精度，本次沿路采集的距離檢校點(diǎn)并沒有使用RTK進(jìn)行采集，而是采用從當(dāng)?shù)匾阎c(diǎn)拉水準(zhǔn)的方式獲取，最大限度地保證了距離檢校點(diǎn)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(huì)直接影響后期的相機(jī)檢校、激光檢校及空中三角測(cè)量等各項(xiàng)處理精度，因此非常重要。其精度指標(biāo)主要有以下三項(xiàng)：① GPS的正反算誤差，要求不超過5 cm；② 激光設(shè)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(shè)備為反向安裝，即激光掃描頭和相機(jī)裝在飛機(jī)尾部，從機(jī)尾向機(jī)頭看過去，GPS天線整體位于整套設(shè)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(gè)瓜。一般采用三蔓整枝方式，當(dāng)主蔓長(zhǎng)到30長(zhǎng)，每株選留長(zhǎng)勢(shì)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(shí)側(cè)蔓雌花坐果。

圖3 飛行設(shè)備安裝示意圖

實(shí)測(cè)GPS天線到量測(cè)點(diǎn)的距離為x=1.632 m，y=0.074 m，z=1.106 m, 而量測(cè)點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)的固定距離值為x=0.544 m，y=0.076 m，z=0.343 m，因此計(jì)算出實(shí)際的偏心分量值應(yīng)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(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目已建成并投入使用，可以實(shí)時(shí)提供下載CORS數(shù)據(jù)加以應(yīng)用，因此本次試驗(yàn)采用基站數(shù)據(jù)和精密星歷數(shù)據(jù)兩種方式進(jìn)行解算比較。注意采用基站數(shù)據(jù)方式進(jìn)行解算時(shí)，要考慮GPS差分值是固定解還是浮動(dòng)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(biāo)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(dá)不到5 cm的精度；右側(cè)指標(biāo)顯示GPS差分值為固定解2，滿足要求。從圖5左側(cè)指標(biāo)可以看出設(shè)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(biāo)顯示PDOP值局部達(dá)到了4以上，不能滿足要求。后續(xù)還需要進(jìn)行更多數(shù)據(jù)測(cè)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(shè)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(gè)精度指標(biāo)都滿足要求，因此獲得的航攝數(shù)據(jù)可以用做進(jìn)一步的檢校工作。

圖7 精密星歷數(shù)據(jù)解算的激光設(shè)備定位精度

5. 激光檢校

激光檢校主要是消除兩個(gè)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(cè)距儀所測(cè)的距離與實(shí)際距離間的誤差。ALS70系統(tǒng)有A、B兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生差異。分別量測(cè)出兩段的距離H1=10.176 m，H2=11.608 m,兩量測(cè)點(diǎn)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(huì)產(chǎn)生明顯的位移，量測(cè)出距離H=2.534 m，該航線的相對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)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(huì)產(chǎn)生明顯的偏移，同樣量測(cè)偏移距離H=1.945 m ，該量測(cè)點(diǎn)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(shí)際上是一個(gè)多次迭代、逐漸趨近的過程，3個(gè)檢校值之間會(huì)相互影響，尤其是roll值對(duì)其他兩個(gè)影響較大，每次都需要按照roll、pitch、heading的順序來檢校；同時(shí)要特別注意檢校值的正負(fù)號(hào)，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(hào)取反了，需重新填入計(jì)算，多次反復(fù)，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(shè)計(jì)，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(gè)控制點(diǎn)。設(shè)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(dǎo)入Terra Scan中輸出控制點(diǎn)的誤差報(bào)告，如圖8所示。

圖8 第一次計(jì)算控制點(diǎn)精度

將得到的激光測(cè)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(shí)再將外業(yè)采集的路面控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入，輸出控制點(diǎn)報(bào)告，如圖9所示。

圖9 第二次迭代計(jì)算控制點(diǎn)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(shí)應(yīng)注意在輸出控制點(diǎn)報(bào)告之前最好對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行地面點(diǎn)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(duì)B波段實(shí)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(píng)定

當(dāng)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(jìn)行地面點(diǎn)分類，這時(shí)可以用外業(yè)檢查點(diǎn)來檢測(cè)最終的點(diǎn)云精度，在這次試驗(yàn)中，最終獲得的精度如圖10所示。

圖10 檢校場(chǎng)點(diǎn)云精度

從圖10中可以看到試驗(yàn)中布設(shè)的檢校場(chǎng)點(diǎn)云的高程均方差Std deviation為0.059 6 m，即高程精度達(dá)到5.96 cm，完全滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。

四、總 結(jié)

通過試驗(yàn)可以看出，檢校場(chǎng)應(yīng)盡量選取有較寬較長(zhǎng)且比較直的硬化路面的地點(diǎn)，且附近還要有一個(gè)尖頂?shù)慕ㄖ?，為了更好地量測(cè)精度，最好建筑物的占地面積要大些。航跡解算的精度會(huì)影響整個(gè)檢校結(jié)果，3個(gè)精度指標(biāo)都是硬性的，必須一一達(dá)到。按以往的經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)中卻沒有得到相應(yīng)的結(jié)果，原因有可能是：① 本次檢校飛行是在下午進(jìn)行的，衛(wèi)星信號(hào)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(jìn)行激光檢校時(shí)，每個(gè)檢校步驟中都應(yīng)盡可能地多量測(cè)幾個(gè)數(shù)值取平均來減少誤差，經(jīng)過反復(fù)多次迭代解算才能得到最優(yōu)檢校參數(shù)。

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