基于連接線的LiDAR點云航帶平差方法的研究與應(yīng)用

李 偉

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110034）

0.引言

機載激光雷達(dá)技術(shù)（Airborne Light Detection and Ranging,Airborne Lidar）是集激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）和高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)（DGPS）為一體的一種可快速獲取地面三維信息的新型測量技術(shù)[1]。隨著測繪先進(jìn)設(shè)備的不斷更新，數(shù)據(jù)處理的技術(shù)水平也需要不斷完善。該技術(shù)制作的DEM產(chǎn)品與傳統(tǒng)航攝方式制作的DEM產(chǎn)品相比，具有精度高、紋理細(xì)致、還原地表形態(tài)真實、數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富等特點，能夠滿足多行業(yè)、多領(lǐng)域的專業(yè)性需求，該技術(shù)已成為國際公認(rèn)的傳統(tǒng)航攝技術(shù)的更新?lián)Q代技術(shù)。

激光雷達(dá)技術(shù)是一種實現(xiàn)了空間三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精度獲取的高尖端空間技術(shù)[2]，雷達(dá)數(shù)據(jù)的優(yōu)點顯而易見，可是在技術(shù)上怎樣突出顯示出其精度高，效率快的特點呢？目前，已有的技術(shù)路線大部分消除了雷達(dá)數(shù)據(jù)由于設(shè)備自身原因形成的系統(tǒng)誤差。生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn)還存在有設(shè)備、自然因素等多方面原因造成的部分?jǐn)?shù)據(jù)殘差。殘差的存在影響雷達(dá)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，本文引入連接線的概念，通過航帶間重疊區(qū)域的內(nèi)插計算生成大量連接線，形成航帶間點云數(shù)據(jù)偏移的位置關(guān)系，更好地完善航帶間的偏移誤差。

1.機載LiDAR系統(tǒng)誤差源分析

殘留誤差的積累是影響點云數(shù)據(jù)精度的必然因素，誤差的存在更會造成不同航帶間同名特征點存在三維空間偏移，其嚴(yán)重影響點云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度[3]。因此如何利用一種有效的點云航帶平差方法，精準(zhǔn)、快速地實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精確校準(zhǔn)，成為了一個亟待解決的重點問題。

機載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的方式為推掃式，其航帶寬度取決于航高等相關(guān)因素。測區(qū)的范圍和設(shè)計要求決定了航線的走向和數(shù)量，每條航線點云按航線軌跡分離后可以發(fā)現(xiàn)航線見重疊部分的三維空間上的差異，這就是我們針對研究的航帶漂移差。

生產(chǎn)工作中，誤差來源存在多重性或不確定性，針對于不同原因引起的誤差處理方法也各不相同，在減少誤差的基礎(chǔ)上使成果數(shù)據(jù)盡量靠近真值。根據(jù)《CHT 3014-2014-數(shù)字表面模型機載激光雷達(dá)測量技術(shù)規(guī)程》要求，航帶間點云數(shù)據(jù)連接點的平面位置中誤差應(yīng)小于平均點云間距，高程中誤差應(yīng)小于項目點云數(shù)據(jù)的高程精度中誤差。

2.技術(shù)流程與關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 技術(shù)流程

從點云數(shù)據(jù)的特點、針對于我們研究的航帶漂移的誤差分析理論，提出了（如圖1所示）的基于連接線的航帶平差計算流程。

圖1 航帶平差計算流程圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.2.1 航帶標(biāo)識

生產(chǎn)項目中通常都會有數(shù)量較多的航線覆蓋整個測區(qū)，航帶間多層數(shù)據(jù)疊加現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，平差計算前，按每條航帶GPS時間碼來予以編號標(biāo)識。（如圖2所示）為阜新海州露天煤礦中標(biāo)識后的航線分布。

目前，檢校后的LiDAR數(shù)據(jù)多為LAS1.2格式，該格式文件頭中的數(shù)據(jù)項LASF_Point_Source_ID和LASF_GPS_Week_Time和LASF_GPS_Week分別記錄了點數(shù)據(jù)來源和GPS時間信息（如表1所示）。以此作為區(qū)分每條航帶數(shù)據(jù)的標(biāo)識依據(jù)。

2.2.2 自動連接線生成

在每條航帶數(shù)據(jù)歸屬計算完成后，我們運用程序進(jìn)行航線數(shù)據(jù)的擬合計算，以單條航線數(shù)據(jù)為單元構(gòu)建三角網(wǎng)。相鄰兩條航線疊加計算分析，得到連接線矢量數(shù)據(jù)。

2.2.3 系統(tǒng)偏移計算

對項目數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析后，根據(jù)檢校值對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)差改正，地面上線性特征屬性滿足曲線擬合方程的計算條件時，通過誤差的幾何關(guān)系得出各偏移量。

圖2 航帶標(biāo)識與空間分布

表1 LAS1.2格式說明

航線偏移的計算以矢量（tie line）形式體現(xiàn)，其走勢承不規(guī)則波形分布，偏移值得最終消除方法也比較多，一般采取均值法或最小二乘法等計算差值。也就是這里得tie line數(shù)量越多，解算得到的差值越合理。航線重疊部分的數(shù)值也越接近于真值。

“連接線”類別指定用于解決XY和Z不匹配的連接線類型為“曲面坡度后的剖面線”。這些設(shè)置主要影響波動的XYZ解。無論如何，應(yīng)該以合理的方式為數(shù)據(jù)集設(shè)置值。默認(rèn)值（坡度>45度時為XY，坡度<45度時為Z）適用于垂直墻可用于XY匹配的移動數(shù)據(jù)集。對于機載點云數(shù)據(jù)，建議將其更改為較小的值，例如15到30度之間的XY和相應(yīng)的Z。數(shù)據(jù)集中的坡度越陡（在地形和/或建筑屋頂，搜索剖面連接線的潛在位置），XY的值就越大。XY值越大，數(shù)據(jù)集的波動XY解就越可靠。

除了系統(tǒng)位移的校正外，連接線還可用于應(yīng)用隨時間變化的校正（波動校正、漂移）。這對于糾正軌跡解的局部漂移是必要的，例如，如果在飛行或駕駛過程中GPS信號出現(xiàn)故障。波動修正是提高移動激光數(shù)據(jù)精度的重要環(huán)節(jié)，但對機載數(shù)據(jù)也很有用。

如果不涉及控制測量，則軟件將計算與激光數(shù)據(jù)條之間的特征位置平均值相對應(yīng)的連接線特征的猜測位置。如果軌跡解提供了對每個驅(qū)動過程的位置精度的估計，則這些估計在計算平均位置時轉(zhuǎn)換為權(quán)重因子。這將導(dǎo)致較低精度的條帶得到較大的校正，而較高精度的路徑得到較小的校正。

如果使用控制測量，觀察到的校正是激光數(shù)據(jù)中的連接線特征位置和控制測量位置之間的差異。

激光數(shù)據(jù)的實際校正被用作隨時間變化的校正曲線。修正曲線是通過計算每條聯(lián)絡(luò)線觀測值的修正值來建立的。校正是兩個連續(xù)觀測值之間的線性插值。（如圖3所示）：

圖3 連接線矢量波形圖

修正曲線的平滑涉及軌跡位置的精度估計。對于精度估計較差的位置，應(yīng)用較大的校正值。一個因素決定了校正曲線變化的速度。一個小因素會導(dǎo)致曲線更平滑。如果連接線不太好，并且可能包含異常值，則應(yīng)使用此選項。因子越大，曲線越不光滑，單聯(lián)絡(luò)線觀測對最終解的影響越大。這應(yīng)該用于良好的領(lǐng)域。

如果未應(yīng)用平滑，則每條連接線觀測值將完全影響最終校正值。建議檢查連接線并找出錯誤的連接線。否則，更平滑的校正曲線對其余不準(zhǔn)確的聯(lián)絡(luò)線觀測值不太敏感。如果基于從已知精確xyz坐標(biāo)值的地面控制點收集的精確連接點計算校正值，則也不能使用平滑。

3.實例驗證

本項研究結(jié)合阜新海州露天煤礦及周邊基礎(chǔ)調(diào)查測繪保障、機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取和1∶1000比例尺數(shù)字高程模型生產(chǎn)項目。項目采用徠卡ALS70機載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時配以地面基站聯(lián)合觀測。通過POS與地面基站聯(lián)合解算后，航帶間仍存在平面和高程肉眼可見的誤差值。（如圖4所示）：

圖4 系統(tǒng)偏移量計算結(jié)果

根據(jù)分析，該項目在航線重疊區(qū)內(nèi)高程偏移最大值為0.6m，平面偏移最大值為0.3m。連接線的分布和體現(xiàn)形式（如圖6所示），這樣的數(shù)值影響了雷達(dá)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。在此基礎(chǔ)上對整個測區(qū)進(jìn)行誤差優(yōu)化，按照圖1所示的平差技術(shù)流程進(jìn)行處理，求取更優(yōu)的平差結(jié)果。（如圖5所示）：

圖5 航帶數(shù)據(jù)分類結(jié)果

圖6 連接線分布

根據(jù)點云數(shù)據(jù)誤差分析情況，按照數(shù)據(jù)的現(xiàn)有狀況，迭代尋找Z、Roll、Pitch和Heading最優(yōu)值后，計算出的偏移結(jié)果。（如圖7所示）：

圖7 系統(tǒng)偏移量計算結(jié)果

根據(jù)圖7中計算的改正參數(shù)值對各航帶進(jìn)行改正，輸出誤差修正后的LiDAR點云數(shù)據(jù)，對比改正前后航線間的偏移量。（如表2所示）：

表2 航線標(biāo)識與平差結(jié)果示意

將平差前后航帶間高程差做成曲線對比分析 (如圖8所示)，可以看出：平差后的航帶間高程誤差均小于0.1m，平差結(jié)果較好。

圖8 誤差對比分析

本項目是遼寧省ALS70機載激光雷達(dá)系統(tǒng)在我省DEM制作生產(chǎn)領(lǐng)域上的一次成功應(yīng)用，生產(chǎn)過程中，克服了大比例尺礦坑地形的高落差以及實際地物的復(fù)雜性，提出一種基于點云數(shù)據(jù)的自動連接線生成方法，通過重疊航帶內(nèi)同區(qū)域的大量連接線，建立起航帶點云數(shù)據(jù)間偏移關(guān)系，以實現(xiàn)系統(tǒng)誤差的消除。在技術(shù)上有重大突破，解決了多個技術(shù)難題，探索出了機載激光雷達(dá)系統(tǒng)航帶平差的技術(shù)路線和方法，并成功應(yīng)用于“阜新海州露天煤礦及周邊基礎(chǔ)調(diào)查測繪保障項目”，完成了面積為55平方千米的大比例尺礦坑DEM制作。涵蓋平地、礦坑等復(fù)雜地貌。

基于連接線的LiDAR點云航帶數(shù)據(jù)平差方法制作的DEM產(chǎn)品，精度高，紋理細(xì)致，更加符合地表真實形態(tài)，目前阜新海州露天煤礦測區(qū)的DEM產(chǎn)品已經(jīng)被應(yīng)用到周邊環(huán)境治理及城市轉(zhuǎn)型規(guī)劃的工作中，為遼寧省的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，奠定了堅實的基礎(chǔ)，對推動遼寧省測繪地理信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步發(fā)展具有重要意義。

4.結(jié)束語

激光雷達(dá)技術(shù)在采集地表數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)航空攝影測量所無法比擬的巨大優(yōu)勢，LIDAR技術(shù)在國內(nèi)部分省份眾多領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛地應(yīng)用，并且深受關(guān)注。在機載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，能否更好地展現(xiàn)出它的高精度的特性，更好地應(yīng)用于國計民生是我們當(dāng)前要解決的一個問題。那么，解決系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵技術(shù)和方法以獲取高精度的機載LiDAR數(shù)據(jù)，就是現(xiàn)在迫在眉睫的問題。本次項目以機載LiDAR數(shù)據(jù)應(yīng)用研究為出發(fā)點，對礦坑地區(qū)點云數(shù)據(jù)的航帶平差處理方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論研究與實踐，并取得了一些成果，并在遼寧省內(nèi)首次應(yīng)用了基于連接線的LiDAR點云航帶數(shù)據(jù)平差方法，有效解決了航帶間平差難題，為國內(nèi)其他測繪單位在礦坑地區(qū)生產(chǎn)數(shù)字高程模型提供了技術(shù)依據(jù)。