機載激光雷達檢校場布置方案研究

孫黎明，鄧清軍，凌學才

(安徽省電力設計院，安徽 合肥 230601)

機載激光雷達技術是一種集高精度動態DGPS技術、激光測距技術、高精度姿態測量技術和計算機技術于一體的新興測量技術。通過激光測距儀得到的測距信息聯合姿態測量模塊得到的姿態信息和高精度差分GNSS得到的位置信息，通過解算獲得高精度的三維坐標和高分辨率的數字地面模型，可高效、低成本、高精度地獲取三維空間地理信息數據。

1 激光雷達測量系統基本原理簡介

1.1 激光雷達測量原理

機載激光雷達技術是集激光掃描系統、全球定位系統(GNSS)和慣性導航系統三種技術于一體的三維空間信息采集系統。激光雷達(LIDAR)是光探測和測距的簡稱，一種將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度及物體反射特性等信息來識別目標的技術。

激光雷達測距分為脈沖測距法和相位測距法。脈沖測距法基于測量脈沖收/發時間延遲原理，即：R=(1/2)CT，式中R是被測目標的距離，C是光速常數值，T是脈沖往返時間。相位測距法是連續波雷達所采用的方法，基于測量回波與發射信號間的相位延遲。

1.2 機載激光雷達系統構成

機載激光雷達測量系統主要有四部分構成：激光雷達測距單位、慣導系統(POS)、控制中心及數碼相機，各部分間協作關系見圖1。

圖1 系統構成圖

2 機載激光雷達的誤差源

機載LIDAR系統有多種設備集合而成，其精度受到各個組成部分的誤差影響，這些誤差能直接影響到激光腳點坐標的精度。機載LIDAR誤差分為系統誤差和偶然誤差，研究誤差來源對提高激光雷達成果精度具有重要的作用。

2.1 GNSS定位誤差

目前，GNSS定位誤差是影響機載激光雷達測量精度的最主要誤差源之一，主要包括衛星鐘差、接收機鐘差、衛星軌道誤差、大氣折射、多路徑效應、觀測噪聲、整周模糊度求解誤差等。

2.2 激光測距誤差

激光測距儀是機載LIDAR系統中的核心部件，激光產生、傳播、返回等過程受到多種因素影響，因此在所有誤差中，測距誤差是最復雜的，主要包括：激光測距儀器誤差、大氣折射誤差、地物反射誤差。

2.3 測角誤差

主要有以下三種：

(1)掃描角誤差：理論上，要求旋轉掃描鏡電機勻速轉動，但在設計時不能完全保證勻速轉動，電機的非勻速轉動和掃描鏡的任何震動都會帶來掃描角誤差。

(2) 姿態角誤差：IMU測量姿態誤差包括設備安置誤差、加速度計常數誤差、加速度計比例誤差、陀螺儀漂移、軸承間的非正交性、重力模型誤差、大地水準面誤差等。

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

2.4 集成誤差

(1)偏心量誤差：主要是激光發射參考點在慣性平臺參考坐標系統中的偏心量誤差和GNSS天線相位中心在慣性平臺參考坐標系中的偏心量誤差。

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

(3) 內插誤差：激光測距脈沖信號頻率、IMU數據采樣頻率、GNSS采樣頻率不同，為了得到每個激光腳點的位置和姿態信息，就必須對GNSS、IMU數據進行內插，于是便產生內插誤差。

(4) 時間同步誤差：激光雷達測距系統、差分GNSS定位系統和姿態測量系統IMU是相互獨立的系統，具有不同的時間記錄裝置，在統一時間系統時，如果存在時間偏差，就會影響定位結果。

3 檢校場布置設計

3.1 布設依據

機載LIDAR系統測量精度主要受到激光測距、搭載平臺的位置、姿態等方面的影響，數據誤差包括激光測距誤差、機載GNSS與激光掃描儀中心的偏心分量測量誤差、DGPS誤差、IMU與激光掃描儀之間的偏心及軸向角度誤差等。LIDAR設備每次拆卸安裝后，系統內外方位元素發生了變化，需建立一個可以模擬飛行并布設一定控制點的檢校場，用數學方法，通過地面控制點的精確坐標，以此來確定內外方位元素：航偏角、俯仰角、側滾角、偏心角、GNSS天線相位中心偏心量等。

機載激光掃描測距系統內部誤差，需進行測距、測角誤差改正測算，該過程一般由設備廠商完成，相應參數由其提供。布設檢校場主要用于檢校安置誤差(roll/pitch/heading)和相機視準軸。

3.2 檢校場選擇布設

結合2012年我院220 kV合福鐵路牽引站激光雷達航飛項目，以運五為平臺搭載徠卡ADS60數碼航攝儀和ALS60激光雷達，介紹檢校場布置方案及注意事項。檢校場選擇需考慮飛行便利且具有線性關系好的明顯地物標志，選擇在機場附近為宜。檢校航線布設原則如下：

(1)檢校場選擇需考慮飛行便利安全，選擇在測區或機場附近。

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

(3) 檢校場不存在激光回波高吸收地物，即檢校場內目標應具有較高的反射率。

(4) 檢校場內宜有較寬較長且直的公路區域，便于檢校橫滾角。

(5) 檢校場區應具有典型線性地物(如“人”形房屋)的區域，便于側滾角和俯仰角的檢校。

依據上述原則，選擇距離常州奔牛機場2 km，地物地貌線性明顯的運河鎮布置檢校場見圖2。

圖2 檢校場

3.3 基站方案設計

(1)基站點應選擇已有E級以上GNSS控制點，且具備WGS84坐標。若無WGS84坐標，可采用靜態采集平差獲得，靜態觀測時間應不小于8 h。

(2) 基站加密站址選擇應滿足如下條件：開闊，附近無電磁波干擾;站點交通、通訊條件良好，便于聯絡與數據傳輸;避免閑雜人滋擾；設立在穩定，便于保存的地點。

(3) 檢校場在測區時，應確保兩基站間距離應在30 km左右，保證線路離最近基站的距離不超過30 km。如果檢校場不在測區內，檢校飛行時，需在檢校場附近布設一個地面基站(基站坐標已知，基站所在坐標系可與測區坐標系不相同)。

(4) 基站觀測時間為飛機起飛前半小時，至飛機降落后半小時，采用連續觀測方式。

(5) 基站采樣頻率遠大于一般靜態測量采樣頻率，數據采樣頻率不小于2 Hz，注意接收機存儲空間是否足夠。

3.4 激光檢校控制點布設要求

激光檢校主要有：視準軸、距離、扭轉、傾斜、強度、脈沖轉換頻率、高程偏移等，依據其主要檢驗內容(視準軸、距離)，布設相應的控制點、檢測點。

(1)根據軟件預先計算的激光腳點間距，沿直線布設控制點，宜沿公路布設，間距根據激光腳點而定。一般利用GNSS-RTK進行加密，精度指標要求小于5 cm。

(2) 在中心區域均勻布設10～15個零散控制點，精度指標小于2 cm。

(3) 控制點宜布設在路面上，且地物材料均勻。避免高低反射率交接地區，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。

3.5 相機控制點布設要求：

(1)在重疊中心區布設5～10個控制點，在航線四個邊緣區域總共布設5～10個控制點，精度小于5 cm。

(2) 控制點選取在地物特征點上，并做好點記錄和控制點照片存檔。

4 飛行航線設計

基于所采用的激光雷達設備和數碼相機技術參數，制定合理的飛行方案，充分考慮成果數據技術要求、精度要求、點云密度、激光測距、飛行安全、航向重疊、旁向重疊等問題，設計時需特別注意下列情況：

圖3 激光檢校點(RED)相機檢校點(GREEN)

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

(2) 進行平行航線飛行(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) 檢校飛行的視場角以測區使用的最大參數為準。

圖4 LIDAR檢校航線布設示意圖

依據上述方案，設計出合理的飛行航線，設計結束后導出航線參數表格，以方便機組人員使用。本項目利用Leica Mission Pro飛行計劃軟件進行航線設計，設計1000 m和1500 m兩個飛行航高，共計9條航線。東西方向3條，南北方向6條，計算航向激光點最大間距2.4 m，橫向激光腳點最大間距0.8 m。

5 數據處理

飛行結束后，將基站GNSS數據、IMU數據、機載GNSS數據、航跡文件、影像數據等聯合處理，根據典型地物的偏差，計算獲得旋偏角、俯仰角、側滾角及相機參數校正值，使用這些數據重新解算檢校場各條航線的三維激光點云數據和影像數據，直至不同條帶點云數據和影像數據匹配良好，此時這些數據改正值才是用于測區數據解算的理想值。利用徠卡激光雷達配套軟件處理220 kV合福鐵路牽引站線路檢校場數據處理流程見圖5。

表1 檢校點殘差

依據激光雷達檢校規程，檢校點殘差見表1滿足規范要求，達到預期目標。

圖5 檢校數據處理流程

6 結語

本文結合工程實例，對如何合理布置激光雷達檢校方案進行研究，達到減小各項誤差目的，滿足具體工程需要。激光雷達技術與常規測量相比具有無可比擬的優勢，利用分類后的激光點云數據及航空數碼影像數據可以直接生成DEM、DOM、DLG、DSM等數字成品，生產效率更高、工期更短。基于三維激光雷達技術生產的高精度4D數字化測繪成果是三維數字地球的核心基礎，必將對國土測繪、城市規劃、工程建設、災害應急等帶來深刻的影響。

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