基站距離對lidar高程精度影響的探討

黃華平 林國慶 劉建軍 繆志修

(中鐵二院測繪工程設計研究院，四川成都 610031)

1 概述

機載激光雷達測量技術是一門集激光測距、GPS測量、IMU姿態測量技術于一體的主動式測量技術，已廣泛應用在公路、鐵路和石油管道勘測設計，以及電力巡線、三維數字城市等方面。

機載激光雷達測量技術之所以能夠快速獲取地面物體精確的三維真實坐標，主要是依靠GPS(機載GPS+地面GPS基站)測量出飛機的飛行軌跡，IMU測量出飛機的瞬時飛行姿態參數，然后利用卡爾曼濾波技術對差分GPS數據和IMU姿態測量數據進行聯合數據處理，得到每一個激光腳點的精確坐標。基于IGS參考站精密星歷和精密鐘差改正的PPP(Precise Point Positioning)解算技術可以省去地面GPS基站的架設和測量，而且可以節省不少成本，是近年測繪界研究熱點。但采用PPP解算技術可能導致精度降低和不穩定，在工程中還是很少有人敢于使用。因此，地面GPS基站的布設就顯得非常重要。利用工程項目中的真實數據進行統計分析，就實際生產中地面GPS基站架設距離對Lidar測量高程精度的影響進行探討，希望對特殊情況下Lidar測量中地面GPS基站架設距離設定有一定的參考作用。

2 影響Lidar測量高程精度的因素

Lidar系統是一個復雜的集成測量系統，影響精度的因素非常復雜。正常情況下，影響高程精度的主要因素包括激光測距誤差、GPS動態定位誤差、IMU姿態測量誤差、系統集成誤差以及由于平面誤差引起的二類高程誤差等。

激光測量的精度本身就很高，加上Lidar系統在通過廠家檢校消除大的誤差后，在常規測量中的精度基本可以達到厘米級。IMU測角誤差以POS AV510為例，可以達到0.008度，對于高程精度的影響在1 500 m飛行高度的情況下處于亞厘米級的水平。系統集成誤差主要是IMU、激光傳感器、機載GPS等安裝完成后各自的參考坐標系坐標軸不平行引起的，通過檢校場檢校可以有效消除。GPS動態定位誤差主要受對流層和電離層延遲、多路徑效應、鐘差等引起。在眾多影響高程精度的誤差來源中，GPS動態定位誤差是目前影響機載激光雷達測量精度的最主要的誤差來源之一，一般為厘米級到分米級[1］。

當前主要采用的GPS差分技術是通過GPS相對定位方式，構建差分觀測量來消除對流層、電離層、衛星鐘差等誤差的影響，從而獲得高精度GPS定位結果。隨著地面GPS基站距離的增加，對流層延遲、電離層延遲等誤差的相關性減弱，GPS差分結果的預期精度將會逐漸降低。GPS測量的高程方向誤差一般是平面的2倍，也就直接導致機載激光雷達測量數據高程精度的急劇下降。

3 基站距離對高程精度影響的工程案例分析

3.1 工程案例1

(1)GPS地面基站布設

本項目位于重慶萬州地區，整個區域屬于低山地區，最大高差約為400 m。攝影采用新引進的加拿大Optech Gemini機載激光雷達系統，實驗飛行高度為相對航高1 100 m，激光發射頻率為100 kHz，地面激光腳點密度為2～3 dots/m2。

考慮到地面GPS基站距離對Lidar高程精度的影響，直接關系到獲取數據的精度能否滿足項目要求和項目成本，結合目前國內外實施Lidar攝影時基站距離的經驗數據，布設了64 km、36 km、11 km和7 km四個基站。

(2)精度統計分析

為確保精度統計的正確性，在測區內選擇了一條1 km長的平整道路，利用全站儀每隔20 m左右測量出高程點的準確高程，測量精度優于5 cm，共測量569個高程點。精度統計見表1。

表1 萬州項目不同基站距離Lidar高程精度統計

(3)結論

由統計結果可以看出，本項目基站距離為64 km和10 km左右時Lidar高程精度的變化不大，都在同一個數量級，而且都小于10 cm，精度遠高于預期精度。分析原因是攝區位于城市區域，Lidar攝影范圍內基本為裸露的地面、道路和房屋，沒有太多的植被，點云數據經濾波、分類后的高程精度高。同時，檢查控制點也都選取在地面明顯的地物點上，測量和辨認精度也非常高。

3.2 工程案例2

(1)GPS地面基站布設

本項目位于東南亞地區，全線320余公里區域內植被比較發達，熱帶灌木叢非常多，地形等級從Ⅰ級到Ⅳ級(山區Ⅳ級地形居多)，最大高差約為1 500 m。攝影采用Leica ALS50II機載激光雷達系統，實驗飛行高度為相對航高800～1 000 m，激光發射頻率為125 kHz，地面激光腳點密度為3～4 dots/m2。

由于地形條件所限，很多地方屬于荒無人煙的原始森林地區，基站距測區距離40～60 km(最遠處約63 km)，全線共布設7個地面GPS基站。

(2)精度統計分析

由于本項目Lidar攝影過程中現場勘測工作正在進行，檢查控制點選用了勘測中實測的線路中樁點成果，全部成果均使用GPS RTK測量，高程精度優于5 cm，檢查點在不同的兩個區域。精度統計見表2。

表2 東南亞項目不同基站距離lidar高程精度統計

本項目中精度統計是成果轉換至正常高后進行的，誤差中包含大地高至正常高的轉換誤差。同時，測區內植被覆蓋嚴重，Station L2檢查范圍內最大誤差－1.412 m出現在樹林內，濾波分類精度較差，而且高程較差小于1倍中誤差的為67%，小于2倍中誤差的占95%。

(3)結論

從統計結果來看，當地面GPS基站距離達到60 km以上后，精度有明顯下降，排除植被影響，仍然在可以接受的范圍內，大部分可以滿足鐵路勘測設計的精度要求。當然，對于植被覆蓋茂密的區域，Lidar成果還需要現場核實和修測，以保證最終成果滿足要求。

3.3 工程案例3

(1)GPS地面基站布設

本項目位于我國新疆天山地區，全線200余公里區域內基本沒有植被，屬于沙漠戈壁地區過渡到山區，地形等級從Ⅰ級到Ⅳ級，最大高差約為1 400 m。攝影采用Optech Gemini機載激光雷達系統，飛行高度為相對航高1 500 m，激光發射頻率為100 kHz，地面激光腳點密度為1～2 dots/m2。

(2)精度統計分析

本項目在測區內選擇了平坦河道區域，利用GPS快速靜態方法測量了多處檢查散點(每處約30點左右)，外加沿線高等級控制點，高程測量精度均優于5 cm。精度統計見表3。

表3 新疆項目不同基站距離Lidar高程精度統計

本項目統計均采用gps大地高成果，誤差不含高程轉換誤差，統計檢查點范圍無植被覆蓋，點云濾波分類精度較高。在距離達到100 km的時候，高程較差小于1倍中誤差的為64%，小于2倍中誤差的占94%。

(3)結論

從統計結果可以看出，本項目中當基站距離在40～100 km范圍變化時，Lidar點云的高程精度的雖然有所下降，但不太明顯，都在同一數量級，而最大誤差值有0.2 m的變化。單純從中誤差的角度來看，仍然滿足鐵路勘測設計的要求。

4 結束語

各品牌Lidar系統廠家推薦的測區至基站距離都在30 km左右，目前各單位在進行Lidar攝影時普遍采用30～40 km的基站控制范圍，以確保Lidar攝影成果能夠達到1∶2 000甚至1∶500成圖的精度要求。但是，出于成本考慮或者在特殊情況下基站布設困難時，適當加大基站的距離，Lidar攝影成果的高程精度仍然能夠滿足工程項目對高程精度的要求。當基站距離較遠時，為提高lidar成果的高程精度，建議在Lidar系統完成初始化進入測區時，選擇靠近基站端進入，然后開始攝影，確保POS系統初始化精度高，利于提高攝影成果的整體精度。

適當加大距離對于高程精度的影響不會太大，但各地地形條件以及GPS信號好壞等因素復雜多變，在基站距離選擇上要根據具體應用要求和現場實際情況而定，攝影的時間也要選擇避開GPS信號不好的時段，爭取最好的預期精度和合適的項目成本。

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M］.武漢:武漢大學出版社，2007

[2]劉經南，張小紅，李征航.影響機載激光掃描測高精度的系統誤差分析[J］.武漢大學學報，2002(2)

[3]劉基余，李松.機載激光測深系統測深誤差源的研究[J］.武漢大學學報，2000(6)