檢校場(chǎng)地物組成對(duì)LiDAR檢校的影響研究

徐巍，望德偉

(荊門(mén)市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北 荊門(mén) 448000)

1 引 言

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)需求的不斷擴(kuò)大，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為一種現(xiàn)今社會(huì)中比較流行的一種測(cè)量技術(shù)手段，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展使人們的數(shù)據(jù)獲取方式從人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，又由于機(jī)載激光雷達(dá)傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹(shù)林遮擋，不受日照和天氣條件的限制，能全天候?qū)Φ赜^測(cè)。這些特點(diǎn)使得該技術(shù)在災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)、海岸灘涂測(cè)繪、森林地區(qū)DEM獲取、城市三維建模等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是由多種設(shè)備組合而成的，暫時(shí)還沒(méi)有達(dá)到真正的融合，因此在使用LiDAR系統(tǒng)之前，需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行校正，由于目前還缺乏統(tǒng)一的檢校標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)載LiDAR設(shè)備一般都還是作業(yè)單位獨(dú)立完成的[2]。為了獲取高精度的三維地表信息，就必須研究這些誤差的影響，一些學(xué)者從不同的應(yīng)用側(cè)面對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行了分析和討論，有的考慮了參考坐標(biāo)系與IMU坐標(biāo)系之間的誤差[3]，有的建立了誤差源數(shù)據(jù)模型[4，5]，有的考慮了激光掃描測(cè)距誤差[6]，大多數(shù)都是從機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差的校正，而很少針對(duì)校正場(chǎng)地的要求進(jìn)行分析，本文將從檢校場(chǎng)地地物的組成，對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)檢校精度的影響進(jìn)行研究，并得出了對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值的結(jié)論。

2 安置角檢校

2.1 安置角檢校原理

LiDAR系統(tǒng)校準(zhǔn)方法數(shù)學(xué)模型如式(2)。

(2)

式中，(X，Y，Z)大地坐標(biāo)為激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)后的坐標(biāo)值，(X，Y，Z)飛機(jī)坐標(biāo)為機(jī)載GPS所記錄的飛機(jī)實(shí)時(shí)大地坐標(biāo)值，R旋轉(zhuǎn)為飛機(jī)局部坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系需要的旋轉(zhuǎn)矩陣系數(shù)，(△x，△y，△z)為在飛機(jī)局部坐標(biāo)系內(nèi)激光掃描中心與GPS天線的偏移，R安裝誤差為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)安裝角度誤差，(lx，ly，lz)激光數(shù)據(jù)為激光掃描儀所記錄的激光回波x，y，z為方向分量[7]。R安裝誤差還可以寫(xiě)成如式(3)形式：

(3)

式中，ω，φ，k分別是Roll，Pitch和Heading三個(gè)安裝誤差角度值。

2.2 側(cè)滾角誤差

側(cè)滾角是由于慣性測(cè)量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間繞旁向方向的角度安置誤差，測(cè)區(qū)航攝采用按照激光條帶旁向重疊大于30%，首先假設(shè)航測(cè)地面是水平的，由于飛行過(guò)程中會(huì)受到側(cè)滾角誤差的影響，飛機(jī)在異向重疊飛行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的側(cè)滾角誤差，掃描后會(huì)得到兩條交叉型的點(diǎn)云條帶。

2.3 俯仰角誤差

俯仰角是慣性測(cè)量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間繞航向方向的角度安置誤差，測(cè)區(qū)航攝采用按照激光條帶航向重疊60%采集數(shù)據(jù)，若飛行過(guò)程中存在俯仰角誤差，對(duì)向飛行的兩條相鄰航帶掃描后得到的數(shù)據(jù)，同一地物點(diǎn)就會(huì)提前或延后出現(xiàn)，在平地上飛行方向相反的同一航線上的同一位置不會(huì)有高程的差異，而在樹(shù)木或尖頂房屋飛行方向相反的同一航線上會(huì)有高程的差異。

2.4 航偏角誤差

航偏角是慣性測(cè)量系統(tǒng)與激光掃描系統(tǒng)之間垂直于航向方向的角度安置誤差，航偏角誤差會(huì)影響物體的形狀也會(huì)改變掃描物體中心的位置，通常情況下，航偏角偏移會(huì)使飛機(jī)左側(cè)或右側(cè)的點(diǎn)提前出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生航偏角誤差，在檢校過(guò)程中，如果取兩條平行相鄰的同向航線從地物的左右兩側(cè)飛過(guò)時(shí)，可以得到該點(diǎn)坐標(biāo)沿飛行方向的水平位移。

3 檢校流程

3.1 作業(yè)流程

選擇具有不同地物組成的場(chǎng)地進(jìn)行LiDAR系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)獲取，比較不同地物組成對(duì)檢校結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)思路如下：

3.2 場(chǎng)地選取

選擇一塊檢校試驗(yàn)場(chǎng)地，試驗(yàn)場(chǎng)地中包括平坦公路、較平坦土路、草地、樹(shù)木、尖頂房屋、平頂房屋等盡可能多樣的地物類(lèi)型，主要考慮以下幾種因素：①考慮飛行便利，有明顯地物或檢查點(diǎn)，靠近機(jī)場(chǎng)最好。②選擇反射率較高的地物類(lèi)型，避免大面積水域等。③選擇有平坦道路，并有明顯高低起伏的地物，例如尖頂房屋。④場(chǎng)地面積不小于 4 km2。

3.3 航線設(shè)計(jì)

設(shè)定如圖1所示飛行航線進(jìn)行安置角誤差檢校：

圖1 安置角在航檢校圖

其中航線需要滿足的要求：

①垂直于道路方向，并且異向重疊的兩條航帶；

②垂直于尖頂房屋的屋脊線，異向重疊的兩條航帶；

③垂直于尖頂房屋屋脊線方向，平行同向重疊的兩條航帶；

④平行于道路方向的兩條航線。

航測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要注意的幾項(xiàng)：

①保證檢校飛行與測(cè)區(qū)飛行一致；

②可以用GPS沿道路布設(shè)檢查點(diǎn)，且檢查點(diǎn)需分布在高程變化不大且明顯的位置(例如學(xué)校操場(chǎng))。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 側(cè)滾角誤差分析

分別對(duì)小土路、草地、平直公路進(jìn)行檢校試驗(yàn)，截取的三種地物的激光剖面如圖2～圖4所示。

圖2小土路進(jìn)行Roll值檢校

圖3 草地進(jìn)行Roll值檢校

圖4 平直公路進(jìn)行Roll值檢校

由圖2、圖3、圖4表明，小土路一般不長(zhǎng)，且局部可能會(huì)出現(xiàn)地形起伏，較難實(shí)現(xiàn)兩條土路的較好吻合，草地區(qū)域表面粗糙，激光反射比較分散，更難以實(shí)現(xiàn)檢校，平直公路具有較高的激光反射率，地形相對(duì)平坦，受Pitch和Heading誤差的影響較小，較易實(shí)現(xiàn)Roll值的檢校。

綜上所述，人工修建的較寬較長(zhǎng)且平直的公路最適于Roll值的檢校。

4.2 俯仰角和航偏角誤差分析

分別對(duì)高程起伏較大的獨(dú)立地物進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這里取獨(dú)立樹(shù)和形狀不同的屋頂進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，圖5、圖6為截取的獨(dú)立樹(shù)和屋頂?shù)钠拭妗?/p>

圖5樹(shù)木進(jìn)行Pitch、Heading值校準(zhǔn)

圖6 屋頂進(jìn)行Pitch、Heading值校準(zhǔn)

由圖5、圖6表明：獨(dú)立樹(shù)邊界不易確定，且不易獲取其特征點(diǎn)，兩次掃描的激光數(shù)據(jù)可比性不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)兩次數(shù)據(jù)吻合，坡度較小的屋頂掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)位置關(guān)系不好確定，相比之下，人字形的房屋頂較為合適，缺點(diǎn)就是面積較小，激光反射點(diǎn)較少。

綜上所述，在進(jìn)行Pitch和Heading值檢校時(shí)，盡量選取坡度較大人字形的尖屋頂。

5 結(jié) 語(yǔ)

本次試驗(yàn)表明，系統(tǒng)檢校飛行需要選擇滿足一定條件的場(chǎng)地來(lái)進(jìn)行，檢校場(chǎng)地物組成不同，將直接影響到檢校參數(shù)的解算精度和解算速度，因此，開(kāi)展檢校場(chǎng)地物組成對(duì)檢校精度的影響研究非常有必要，對(duì)實(shí)際工作有很大的指導(dǎo)作用，隨著機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的不斷推廣，該技術(shù)也在市場(chǎng)上運(yùn)用地也越來(lái)越多，因此，需要尋找更快速更簡(jiǎn)單的檢校方法，該方法也存在一定的問(wèn)題，一些新的高效的方法還有待于研究和嘗試。另外，由于每次飛行都需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢校，比較煩瑣且工作量較大，更簡(jiǎn)便更準(zhǔn)確地獲取檢校參數(shù)將是新的研究課題。