孫黎明，鄧清軍，凌學(xué)才

(安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種集高精度動(dòng)態(tài)DGPS技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、高精度姿態(tài)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新興測(cè)量技術(shù)。通過激光測(cè)距儀得到的測(cè)距信息聯(lián)合姿態(tài)測(cè)量模塊得到的姿態(tài)信息和高精度差分GNSS得到的位置信息，通過解算獲得高精度的三維坐標(biāo)和高分辨率的數(shù)字地面模型，可高效、低成本、高精度地獲取三維空間地理信息數(shù)據(jù)。

1 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)基本原理簡(jiǎn)介

1.1 激光雷達(dá)測(cè)量原理

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是集激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的三維空間信息采集系統(tǒng)。激光雷達(dá)(LIDAR)是光探測(cè)和測(cè)距的簡(jiǎn)稱，一種將激光用于回波測(cè)距和定向，并通過位置、徑向速度及物體反射特性等信息來識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)。

激光雷達(dá)測(cè)距分為脈沖測(cè)距法和相位測(cè)距法。脈沖測(cè)距法基于測(cè)量脈沖收/發(fā)時(shí)間延遲原理，即：R=(1/2)CT，式中R是被測(cè)目標(biāo)的距離，C是光速常數(shù)值，T是脈沖往返時(shí)間。相位測(cè)距法是連續(xù)波雷達(dá)所采用的方法，基于測(cè)量回波與發(fā)射信號(hào)間的相位延遲。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要有四部分構(gòu)成：激光雷達(dá)測(cè)距單位、慣導(dǎo)系統(tǒng)(POS)、控制中心及數(shù)碼相機(jī)，各部分間協(xié)作關(guān)系見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 機(jī)載激光雷達(dá)的誤差源

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)有多種設(shè)備集合而成，其精度受到各個(gè)組成部分的誤差影響，這些誤差能直接影響到激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的精度。機(jī)載LIDAR誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，研究誤差來源對(duì)提高激光雷達(dá)成果精度具有重要的作用。

2.1 GNSS定位誤差

目前，GNSS定位誤差是影響機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度的最主要誤差源之一，主要包括衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射、多路徑效應(yīng)、觀測(cè)噪聲、整周模糊度求解誤差等。

2.2 激光測(cè)距誤差

激光測(cè)距儀是機(jī)載LIDAR系統(tǒng)中的核心部件，激光產(chǎn)生、傳播、返回等過程受到多種因素影響，因此在所有誤差中，測(cè)距誤差是最復(fù)雜的，主要包括：激光測(cè)距儀器誤差、大氣折射誤差、地物反射誤差。

2.3 測(cè)角誤差

主要有以下三種：

(1)掃描角誤差：理論上，要求旋轉(zhuǎn)掃描鏡電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但在設(shè)計(jì)時(shí)不能完全保證勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和掃描鏡的任何震動(dòng)都會(huì)帶來掃描角誤差。

(2) 姿態(tài)角誤差：IMU測(cè)量姿態(tài)誤差包括設(shè)備安置誤差、加速度計(jì)常數(shù)誤差、加速度計(jì)比例誤差、陀螺儀漂移、軸承間的非正交性、重力模型誤差、大地水準(zhǔn)面誤差等。

(3) 發(fā)散角誤差：理論上認(rèn)為激光束是一條直線，但實(shí)際上光束在傳播過程中存在發(fā)散角β，其能產(chǎn)生的角度誤差最大為β/2。

2.4 集成誤差

(1)偏心量誤差：主要是激光發(fā)射參考點(diǎn)在慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的偏心量誤差和GNSS天線相位中心在慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系中的偏心量誤差。

(2) 安置角誤差：包括航偏角誤差、俯仰角誤差和側(cè)滾角誤差，是指激光掃描參考坐標(biāo)系與慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系不平行而引起的誤差。

(3) 內(nèi)插誤差：激光測(cè)距脈沖信號(hào)頻率、IMU數(shù)據(jù)采樣頻率、GNSS采樣頻率不同，為了得到每個(gè)激光腳點(diǎn)的位置和姿態(tài)信息，就必須對(duì)GNSS、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，于是便產(chǎn)生內(nèi)插誤差。

(4) 時(shí)間同步誤差：激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)、差分GNSS定位系統(tǒng)和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)IMU是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，具有不同的時(shí)間記錄裝置，在統(tǒng)一時(shí)間系統(tǒng)時(shí)，如果存在時(shí)間偏差，就會(huì)影響定位結(jié)果。

3 檢校場(chǎng)布置設(shè)計(jì)

3.1 布設(shè)依據(jù)

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)測(cè)量精度主要受到激光測(cè)距、搭載平臺(tái)的位置、姿態(tài)等方面的影響，數(shù)據(jù)誤差包括激光測(cè)距誤差、機(jī)載GNSS與激光掃描儀中心的偏心分量測(cè)量誤差、DGPS誤差、IMU與激光掃描儀之間的偏心及軸向角度誤差等。LIDAR設(shè)備每次拆卸安裝后，系統(tǒng)內(nèi)外方位元素發(fā)生了變化，需建立一個(gè)可以模擬飛行并布設(shè)一定控制點(diǎn)的檢校場(chǎng)，用數(shù)學(xué)方法，通過地面控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)，以此來確定內(nèi)外方位元素：航偏角、俯仰角、側(cè)滾角、偏心角、GNSS天線相位中心偏心量等。

機(jī)載激光掃描測(cè)距系統(tǒng)內(nèi)部誤差，需進(jìn)行測(cè)距、測(cè)角誤差改正測(cè)算，該過程一般由設(shè)備廠商完成，相應(yīng)參數(shù)由其提供。布設(shè)檢校場(chǎng)主要用于檢校安置誤差(roll/pitch/heading)和相機(jī)視準(zhǔn)軸。

3.2 檢校場(chǎng)選擇布設(shè)

結(jié)合2012年我院220 kV合福鐵路牽引站激光雷達(dá)航飛項(xiàng)目，以運(yùn)五為平臺(tái)搭載徠卡ADS60數(shù)碼航攝儀和ALS60激光雷達(dá)，介紹檢校場(chǎng)布置方案及注意事項(xiàng)。檢校場(chǎng)選擇需考慮飛行便利且具有線性關(guān)系好的明顯地物標(biāo)志，選擇在機(jī)場(chǎng)附近為宜。檢校航線布設(shè)原則如下：

(1)檢校場(chǎng)選擇需考慮飛行便利安全，選擇在測(cè)區(qū)或機(jī)場(chǎng)附近。

(2) 檢校場(chǎng)地形平坦，有明顯傾斜地形或線性關(guān)系好的明顯地物(如尖頂房等)。

(3) 檢校場(chǎng)不存在激光回波高吸收地物，即檢校場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)應(yīng)具有較高的反射率。

(4) 檢校場(chǎng)內(nèi)宜有較寬較長(zhǎng)且直的公路區(qū)域，便于檢校橫滾角。

(5) 檢校場(chǎng)區(qū)應(yīng)具有典型線性地物(如“人”形房屋)的區(qū)域，便于側(cè)滾角和俯仰角的檢校。

依據(jù)上述原則，選擇距離常州奔牛機(jī)場(chǎng)2 km，地物地貌線性明顯的運(yùn)河鎮(zhèn)布置檢校場(chǎng)見圖2。

圖2 檢校場(chǎng)

3.3 基站方案設(shè)計(jì)

(1)基站點(diǎn)應(yīng)選擇已有E級(jí)以上GNSS控制點(diǎn)，且具備WGS84坐標(biāo)。若無WGS84坐標(biāo)，可采用靜態(tài)采集平差獲得，靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)不小于8 h。

(2) 基站加密站址選擇應(yīng)滿足如下條件：開闊，附近無電磁波干擾;站點(diǎn)交通、通訊條件良好，便于聯(lián)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸;避免閑雜人滋擾；設(shè)立在穩(wěn)定，便于保存的地點(diǎn)。

(3) 檢校場(chǎng)在測(cè)區(qū)時(shí)，應(yīng)確保兩基站間距離應(yīng)在30 km左右，保證線路離最近基站的距離不超過30 km。如果檢校場(chǎng)不在測(cè)區(qū)內(nèi)，檢校飛行時(shí)，需在檢校場(chǎng)附近布設(shè)一個(gè)地面基站(基站坐標(biāo)已知，基站所在坐標(biāo)系可與測(cè)區(qū)坐標(biāo)系不相同)。

(4) 基站觀測(cè)時(shí)間為飛機(jī)起飛前半小時(shí)，至飛機(jī)降落后半小時(shí)，采用連續(xù)觀測(cè)方式。

(5) 基站采樣頻率遠(yuǎn)大于一般靜態(tài)測(cè)量采樣頻率，數(shù)據(jù)采樣頻率不小于2 Hz，注意接收機(jī)存儲(chǔ)空間是否足夠。

3.4 激光檢?？刂泣c(diǎn)布設(shè)要求

激光檢校主要有：視準(zhǔn)軸、距離、扭轉(zhuǎn)、傾斜、強(qiáng)度、脈沖轉(zhuǎn)換頻率、高程偏移等，依據(jù)其主要檢驗(yàn)內(nèi)容(視準(zhǔn)軸、距離)，布設(shè)相應(yīng)的控制點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)。

(1)根據(jù)軟件預(yù)先計(jì)算的激光腳點(diǎn)間距，沿直線布設(shè)控制點(diǎn)，宜沿公路布設(shè)，間距根據(jù)激光腳點(diǎn)而定。一般利用GNSS-RTK進(jìn)行加密，精度指標(biāo)要求小于5 cm。

(2) 在中心區(qū)域均勻布設(shè)10～15個(gè)零散控制點(diǎn)，精度指標(biāo)小于2 cm。

(3) 控制點(diǎn)宜布設(shè)在路面上，且地物材料均勻。避免高低反射率交接地區(qū)，或突兀地物覆蓋范圍超過航高的航帶寬度，避免周圍地物遮擋，避免在陡坎和地物過渡邊界、便道邊緣布設(shè)。

3.5 相機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)要求：

(1)在重疊中心區(qū)布設(shè)5～10個(gè)控制點(diǎn)，在航線四個(gè)邊緣區(qū)域總共布設(shè)5～10個(gè)控制點(diǎn)，精度小于5 cm。

(2) 控制點(diǎn)選取在地物特征點(diǎn)上，并做好點(diǎn)記錄和控制點(diǎn)照片存檔。

4 飛行航線設(shè)計(jì)

基于所采用的激光雷達(dá)設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)技術(shù)參數(shù)，制定合理的飛行方案，充分考慮成果數(shù)據(jù)技術(shù)要求、精度要求、點(diǎn)云密度、激光測(cè)距、飛行安全、航向重疊、旁向重疊等問題，設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意下列情況：

圖3 激光檢校點(diǎn)(RED)相機(jī)檢校點(diǎn)(GREEN)

(1)檢校場(chǎng)區(qū)具有典型線性地物(如“人”形房屋)的區(qū)域進(jìn)行重疊飛行(如圖4中1、2航線)用于側(cè)滾角和俯仰角的檢校。

(2) 進(jìn)行平行航線飛行(如圖4中1、3航線)用于旋偏角的檢校。平行航線重疊度宜為50%。

(3) 應(yīng)至少包括一條約束航線，與其他檢校航線垂直交叉(如圖4中4航線)，用于檢核和約束精度。

(4) 檢校飛行的視場(chǎng)角以測(cè)區(qū)使用的最大參數(shù)為準(zhǔn)。

圖4 LIDAR檢校航線布設(shè)示意圖

依據(jù)上述方案，設(shè)計(jì)出合理的飛行航線，設(shè)計(jì)結(jié)束后導(dǎo)出航線參數(shù)表格，以方便機(jī)組人員使用。本項(xiàng)目利用Leica Mission Pro飛行計(jì)劃軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)1000 m和1500 m兩個(gè)飛行航高，共計(jì)9條航線。東西方向3條，南北方向6條，計(jì)算航向激光點(diǎn)最大間距2.4 m，橫向激光腳點(diǎn)最大間距0.8 m。

5 數(shù)據(jù)處理

飛行結(jié)束后，將基站GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)、航跡文件、影像數(shù)據(jù)等聯(lián)合處理，根據(jù)典型地物的偏差，計(jì)算獲得旋偏角、俯仰角、側(cè)滾角及相機(jī)參數(shù)校正值，使用這些數(shù)據(jù)重新解算檢校場(chǎng)各條航線的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，直至不同條帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)匹配良好，此時(shí)這些數(shù)據(jù)改正值才是用于測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)解算的理想值。利用徠卡激光雷達(dá)配套軟件處理220 kV合福鐵路牽引站線路檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)處理流程見圖5。

表1 檢校點(diǎn)殘差

依據(jù)激光雷達(dá)檢校規(guī)程，檢校點(diǎn)殘差見表1滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖5 檢校數(shù)據(jù)處理流程

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)如何合理布置激光雷達(dá)檢校方案進(jìn)行研究，達(dá)到減小各項(xiàng)誤差目的，滿足具體工程需要。激光雷達(dá)技術(shù)與常規(guī)測(cè)量相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用分類后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及航空數(shù)碼影像數(shù)據(jù)可以直接生成DEM、DOM、DLG、DSM等數(shù)字成品，生產(chǎn)效率更高、工期更短?；谌S激光雷達(dá)技術(shù)生產(chǎn)的高精度4D數(shù)字化測(cè)繪成果是三維數(shù)字地球的核心基礎(chǔ)，必將對(duì)國(guó)土測(cè)繪、城市規(guī)劃、工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急等帶來深刻的影響。

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