劉田龍，常 虹，謝劭峰，左建章

（1.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039；3.云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650032）

國(guó)產(chǎn)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)集成誤差檢校方法的比較

劉田龍1,2，常 虹3，謝劭峰1，左建章2

（1.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039；3.云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650032）

以國(guó)產(chǎn)SW-LiDAR系統(tǒng)為例，結(jié)合具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)SW-LiDAR系統(tǒng)安置角誤差檢校方法進(jìn)行比較。

機(jī)載LiDAR； 安置角誤差；集成檢校； 國(guó)產(chǎn)化

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)主要集成了激光測(cè)距儀、慣性測(cè)量系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、中央控制系統(tǒng)、CCD相機(jī)及穩(wěn)定平臺(tái)等硬件。為了獲得高精度的激光腳點(diǎn)坐標(biāo)，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行起飛前的單機(jī)檢校和在航檢校來(lái)消除系統(tǒng)集成誤差。本文根據(jù)先后在陜西省漢中市多次飛行試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對(duì)只需選擇特征地物，而不需要事先布設(shè)地面控制點(diǎn)的安置角誤差檢校方法進(jìn)行了比較研究，并給出了詳細(xì)的檢校過(guò)程[1]。

1 SW-LiDAR系統(tǒng)集成誤差

SW-LiDAR系統(tǒng)的誤差可以分為2個(gè)方面：①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；②集成誤差，即系統(tǒng)各部件觀測(cè)值集成過(guò)程中的系統(tǒng)集成誤差，包括硬件安置角誤差和數(shù)據(jù)處理誤差。硬件安置誤差是SW-LiDAR系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)安置在一起時(shí)產(chǎn)生的誤差，主要有偏心距誤差、照準(zhǔn)誤差、角度步進(jìn)誤差，扭矩誤差。數(shù)據(jù)處理誤差是各個(gè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理時(shí)產(chǎn)生的誤差，包括時(shí)間同步誤差、內(nèi)插誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等[2]。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)誤差檢校的目的就是要確定所有系統(tǒng)誤差，通過(guò)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差改正，使其最終只剩下隨機(jī)誤差。

2 SW-LiDAR安置角檢校原理

SW-LiDAR對(duì)地定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序?yàn)椋核矔r(shí)激光坐標(biāo)系→激光掃描坐標(biāo)系→載體坐標(biāo)系→慣性平臺(tái)坐標(biāo)系→當(dāng)?shù)仄脚_(tái)坐標(biāo)系→當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系→當(dāng)?shù)卮怪弊鴺?biāo)系→WGS84坐標(biāo)系?？梢栽O(shè)某一束激光從發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離為ρ，根據(jù)對(duì)瞬時(shí)激光坐標(biāo)系的定義，此時(shí)激光腳點(diǎn)的坐標(biāo)為（xSL，ySL，zSL），并有:

為了使用方便，還需要將WGS84坐標(biāo)系進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為局部坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系如圖1所示。由此可以得出LiDAR的構(gòu)像方程為：

為了簡(jiǎn)單表示，可用向量表示為：

式中，P=（x84y84z84）T是激光腳點(diǎn)在WGS84系中的坐標(biāo)；PWGS=（xGPSyGPSzGPS）T是天線相位中心在WGS84系中的坐標(biāo)；r=（0 0 ρ）T是激光腳點(diǎn)在瞬時(shí)激光束坐標(biāo)系中的位置向量[3,4]。

圖1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

由于安置角的存在，不同航帶重疊區(qū)域的同一地物表現(xiàn)出不重合，可以通過(guò)此特點(diǎn)選取固定地物的位置移動(dòng)來(lái)進(jìn)行安置角的檢校改正，但是在檢校過(guò)程中，不同的檢校順序?qū)Y(jié)果影響是不同的。試驗(yàn)表明，以Roll、Pitch、Heading的順序進(jìn)行檢校效果是最好的。

3 安置角檢校方法的比較

3.1 飛行航線及質(zhì)量要求

通過(guò)對(duì)安置角誤差的分析可知，需要設(shè)計(jì)如下幾條航線：①與飛機(jī)場(chǎng)跑道方向垂直，且穿過(guò)跑道上方、方向相反的2條重疊航線；②與尖頂房屋脊線方向垂直，且穿過(guò)屋頂上方、方向相反的2條重疊航線；③與水平樓頂方向垂直，且穿過(guò)樓等上方、方向相同的2條平行航線（相鄰航帶有30%的重疊）。航線設(shè)計(jì)如圖2所示[5]。

圖2 飛行航線設(shè)計(jì)圖

機(jī)載LiDAR飛行質(zhì)量要求：

1）“8”字飛行：避免IMU受累計(jì)誤差影響。要求進(jìn)入第一條航線前先平飛5 min，然后作“8”字轉(zhuǎn)彎飛行，出最后一條航線后，再作“8”字轉(zhuǎn)彎飛行，平飛5 min。

2）GPS靜止觀測(cè)：飛機(jī)在起飛前，需要地面靜態(tài)GPS觀測(cè)5 min。飛機(jī)落地后，也需靜態(tài)GPS觀測(cè)5 min。

3）盤旋轉(zhuǎn)彎坡度：轉(zhuǎn)彎坡度＜22°，最好在15°～20°之間。

4）航線上飛行姿態(tài)：側(cè)滾角（Roll）＜5°；俯仰角（Pitch）＜5°；偏航角（Heading）＜20°。

3.2 安置角的檢校步驟

中國(guó)科學(xué)院光電研究院在最近幾年開(kāi)發(fā)出了一種新型的掃描方式——四面塔鏡掃描方式。每個(gè)鏡面與轉(zhuǎn)軸的夾角為44．5°，掃描點(diǎn)在地面上形成一簇弧形掃描平行線。該種掃描方式掃描視場(chǎng)角可達(dá)90°，并且能360°掃描，大大提高了掃描效率。

由于掃描方式的不同，解算過(guò)程中采用的解算方法不同，數(shù)據(jù)結(jié)果也會(huì)略微不同。本文采用4個(gè)鏡面單獨(dú)檢校與4個(gè)鏡面集成檢校來(lái)進(jìn)行誤差對(duì)比，分析4個(gè)鏡面集成檢校是否能達(dá)到精度要求，從而提高數(shù)據(jù)后處理的解算效率[6]。

下面就以漢中市2個(gè)架次飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件SS-LiPre對(duì)3個(gè)安置角誤差依次進(jìn)行單鏡面檢校和4個(gè)鏡面集成檢校分析。

3.2.1 側(cè)滾角檢校

由于Roll角的存在使平面掃描線產(chǎn)生傾斜，被掃描物體平面位置沿著掃描方向產(chǎn)生位移，利用TerraScan軟件加載這兩條航線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并沿著飛機(jī)場(chǎng)跑道方向切取多個(gè)垂直斷面，切得的這些斷面均為2條相交的直線，這兩條直線的夾角為所求側(cè)滾角的2倍，如圖3所示。式中，Δ r為側(cè)滾角改正值；d為往返飛時(shí)公路斷面的相對(duì)距離。利用多個(gè)段面的均值作為側(cè)滾角的檢校值，根據(jù)飛行方向確定檢校值的正負(fù)，重新把改正值輸入到SS-LiPre軟件，重復(fù)檢校直到2條航線之間的高差滿足限差要求[7]。

圖 3 側(cè)滾角檢校

3.2.2 俯仰角檢校

由于Pitch的存在使被掃描物體的位置沿垂直于掃描方向產(chǎn)生位移，利用TerraScan顯示出這2條航線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，沿著屋脊線的垂直方向在屋脊中間處切取多個(gè)斷面，2個(gè)屋脊線的頂點(diǎn)在水平方向上存在明顯的位移，如圖4所示。

式中，Δ p為俯仰角改正值；d為同一地物中心位置之間的距離；h為平均航高。根據(jù)式（5）得到多個(gè)俯仰角，求出均值作為俯仰角的檢校值代入SS-LiPre軟件，反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，直到人字頂最大限度重合。

圖 4 俯仰角檢校

3.2.3 航偏角檢校

選取垂直于平頂建筑物且沿相同方向飛行的2條航線（AB和DC） 進(jìn)行檢校，

式中，Δ H為航偏角改正值；S為同一建筑物幾何中心在兩條航線中的距離；D為兩航帶之間的距離。如圖5所示，多次測(cè)量取均值作為檢校值，根據(jù)飛行方向確定出正負(fù)，多次進(jìn)行檢校直到兩建筑物幾何中心重合為止。

3.3 精度評(píng)定與分析

1）單鏡面安置角解算結(jié)果。平面位置精度評(píng)定利用垂直墻面上的激光點(diǎn)，本應(yīng)該共面、投影到xy面時(shí)應(yīng)該共線，但由于誤差的存在，擬合出的點(diǎn)云并不是一條直線，求得各個(gè)鏡面的殘差中誤差（如表1、表2）[8,9]。

高程精度評(píng)定采用水平的樓頂，理論上點(diǎn)云的高程應(yīng)該是相等的，但是由于誤差的存在，這些點(diǎn)云并不共面，選取數(shù)量夠多的點(diǎn)云求得各個(gè)鏡面的殘差中誤差（如表1、表2）。

圖5 航偏角檢校

表1 第1架次單鏡面安置角檢校結(jié)果

表2 第2架次單鏡面安置角檢校結(jié)果

從表1、表2可以看出，側(cè)滾角的值最大，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響最大，所以側(cè)滾角的檢校很關(guān)鍵，檢校不準(zhǔn)確將會(huì)直接影響后面角度的改正。高程精度明顯優(yōu)于平面精度，驗(yàn)證了機(jī)載LiDAR在高程方面的優(yōu)勢(shì)。將解算出的安置角對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，并與檢校前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)檢校后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)吻合的很好。

2）4個(gè)鏡面集成檢校結(jié)果。4個(gè)鏡面集成檢校同樣采用單鏡面解算方法，不同的是在SS-LiPre軟件中要改變配置參數(shù)，精度評(píng)定與檢校結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 第1架次4個(gè)鏡面安置角集成檢校結(jié)果

表 4 第2架次4個(gè)鏡面安置角集成檢校結(jié)果

從整個(gè)解算結(jié)果可以看出，第1架次的4個(gè)鏡面集成檢校的結(jié)果完全滿足單個(gè)鏡面檢校的要求，第2架次也能滿足精度要求，說(shuō)明這種新的四面塔鏡掃描方式可以完全按照4個(gè)鏡面集成檢校方法進(jìn)行，在一定程度上縮短了數(shù)據(jù)后處理的時(shí)間，提高了作業(yè)的效率。

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P237.3

B

1672-4623（2015）02-0028-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.011

劉田龍，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用。

2014-09-24。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH34B00）；國(guó)家測(cè)繪地理信息局科技資助項(xiàng)目（201305C022）；測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201412020）；廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（13-051-14-18、11-031-08-26）。