ALS70激光點云檢校流程

肖永飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西西安 710043)

ALS70是一個復雜的集成系統,其精度受到系統內各個組成部分的共同影響,系統的誤差來源很多,也很復雜。大多數硬件誤差出廠前已進行了校正,并向用戶提供了有關參數。但還有一些誤差如照準誤差、高程偏移等,需要用戶根據檢校場的檢校飛行并利用激光點云數據檢校自行得到。

1 照準誤差的檢校

照準誤差指IMU系統與激光測距儀之間的角度安置誤差,它是飛行高度和飛行方向的函數,該誤差隨著時間的推移而逐漸變化,必須從采集的數據中才能得到檢查和消除。照準誤差包括側滾角(Roll)、俯仰角(Pitch)和航偏角(Heading)3個方向上的誤差。因此,照準誤差的檢校即指Roll、Pitch、Heading的檢校。

1.1 Roll檢校

Roll視準軸偏差定義了IMU和激光發射器之間在X軸方向上的偏差,單位是弧度。任何掃描鏡編碼器的誤差也包含在Roll誤差中。Roll的誤差使得激光數據在航線條帶的一側上升,另一側下降。檢校方法如下：

(1) 選擇同一航高的兩條對飛航線,在ALS Post Processor中將Roll設置為0(這會使Roll誤差最明顯),Pitch和Heading也都設置為0。然后輸出點云文件(如圖1所示)。

圖1 ALS PP中R/P/H參數的設置

(2)在TerraScan中讀入點云數據并按航線顯示,查找垂直于航線方向的平坦道路并沿道路繪制斷面(如圖2所示)。

圖2 側滾誤差對點云數據的影響(一側上升,另一側下降)

分別在斷面的最左端和最右段量測兩條航線的偏離值h1、h2及航線寬度Width。并使用如下公式計算Roll(如圖3所示)

圖3 側滾誤差計算公式示意

(3)將Roll帶入,重新計算點云數據并導入,并用上面的方法查看檢校后的數據,如果差值很小了就開始后面的檢校,否則再進行一次Roll檢校。

注：在沒有進行Pitch及Heading檢校前,對Roll進行兩次檢校就夠了,隨著Pitch及Heading的檢校,Roll還得不斷微調(如圖4所示)。

圖4 Roll誤差消除后的點云數據

1.2 Pitch檢校

Pitch視準軸偏差定義了IMU和激光發射器之間在Y軸方向上的偏差,單位是弧度。Pitch誤差使得數據沿航線方向前后移動,在平地上表現不明顯。檢校方法如下：

①選擇同一航高的兩條對飛航線,在ALS Post Processor中Roll使用上面的檢校值,將Pitch和Heading設置為0,然后輸出點云文件。

②在TerraScan中讀入點云數據并按航線顯示,在航線中心位置附近沿航線方向選擇有坡度變化的地方(如尖頂房)繪制斷面(如圖5所示)。

圖5 Pitch誤差對點云數據的影響(沿航線方向)

③選擇特征明顯的地方,量測兩條航線的前后偏移量,可以多量測幾個地方然后取平均值AverM,假設兩條航線高度的平均值為AverH,則Pitch=AverM/2/AverH；

④在ALS Post Processor將以上的Roll、Pitch值輸入,重新計算點云數據并導入TerraScan查看Pitch的改正情況,如果誤差還需改正,則按上述方法再來一次,然后將兩次Pitch誤差累加。

⑤由于點云數據經過了Pitch改正,查看此項改正對Roll的影響,如有必要,需對Roll進行改正,然后將新的改正值與原先的改正值累加。完成后進入Heading檢校(如圖6所示)。

圖6 Pitch誤差消除后點云數據

1.3 Heading檢校

Heading視準軸偏差定義了IMU和激光發射器之間在Z軸方向上的偏差, 單位是弧度。Heading 的旋轉使點云數據向左或向右偏移,在航線條帶中部沒有heading的誤差影響且Heading誤差在平面地物上表現不明顯。檢校方法如下：

①選擇同一航高的兩條平行航線(重疊度約60%),在ALS Post Processor中Roll、Pitch使用上面的檢校值,將Heading設置為0,輸出點云數據。

②在TerraScan中讀入點云數據并按航線顯示, 在其中一條航線的邊緣即另一條航線的中心位置沿航線方向繪制斷面(如圖7所示)。

圖7 Heading誤差對點云數據的影響(沿航線方向)

③選擇特征明顯的地方,量測兩條航線的前后偏移量,可以多量測幾個地方然后取平均值AverM,Heading=AverM/Width,其中Width表量測AverM的地方到低點的距離。 Heading的正確解算需要重復迭代多次。

完成Heading的檢校后,還需要再次查看Roll和Pitch,然后再做些微調(如圖8所示)。

圖8 Heading誤差消除后點云數據

2 Range offset距離檢校

距離檢校主要是為了補償激光掃描儀中電子器件延遲所產生的誤差。這個誤差一般是一個常數。檢校方法如下：

①首先在ALS Post Processor中將Minimum Angle to Process設置為-7,Maximum Angle to Process設置為7,輸入檢校完成的Roll、Pitch及Heading值。然后重新輸出點云(如圖9所示)。

圖9 ALS PP中掃描角度的設置

②將點云導入到TerraScan中,并用TerraScan/Tools/Output control report,選擇地面控制點作為已知點(如圖10所示)。

注：dz為正值，表示激光點高程大于外控點高程,需降低激光點高程,同樣,dz為負值，表示激光點高程小于外控點高程,需抬高激光點高程。

③記錄Average dz值,將其累加到ALS Post Processor距離改正的Range1上。Range 1的正值表示將激光測距儀測量的距離值增加,負值表示將激光測距儀測量的距離減小。本例中dz為正值，表示需對激光點距離整體延長以降低激光點云數據的高程(如圖11所示)。

圖11 ALS PP中距離改正

再次產生新的點云數據并運行TerraScan /Tools/Output control report,此時Average dz應接近于0，本例中為-3 mm,如圖12所示。

圖12 經過距離檢校后的精度報告

3 Elevation Offset高程偏移的檢校

高程偏移指的是激光點測量高程于地面實際高程的偏移值。主要來源于3個方面：IMU于激光發射器之間的垂直偏差、GPS偏心分量的垂直偏差以及導航數據的垂直偏差。前兩項偏差在檢校場進行距離檢校的時候已經消除,而導航數據的垂直偏差和飛行時的GPS定位精度直接相關，需利用測區地面控制點對其進行檢校。

(1)載入測區激光點云數據到TerraScan中。運行TerraScan /Tools/Output control report,選擇地面控制點作為已知點。記錄Average dz值。

(2)修改激光點云的高程可以在TerraScan中通過宏命令直接修改,也可以在ALS PP中修改。

方法1：在TerraScan中利用宏命令對所有的點云數據進行高程偏移(如圖13所示)。

圖13 高程偏移設置

抬高激光點云高程時Dz設置為正值,降低激光點云高程時Dz設置負值。

方法2：運行ALS Post Processor,設置Elevation Offset參數輸出點云(如圖14所示)。

圖14 ALS PP中高程改正

正值抬高激光點高程,負值降低激光點高程。完成后再將點云數據導入TerraScan中查看。

高程檢校和距離檢校不同,高程檢校是將激光點高程整體抬高或降低一個常量,而距離檢校是延長或縮短激光測距儀量測的距離,當然距離檢校也會對高程產生影響；距離檢校是在檢校場進行檢校,而高程檢校是在測區利用地面控制點進行，在進行高程檢校之前必須先完成距離檢校。

4 結束語

ALS70系統的檢校和ALS60相比,檢校的參數及方法都有所改變,如在ALS70系統中不再需要對Torsion進行檢校,在距離檢校時也只是對Range1進行了檢校。以上內容僅包含了常規ALS70項目點云的檢校流程,另外的一些檢校參數由于其對點云數據的影響較小(如Pitch Error Slope)而沒有列出。總之,好的數據精度依賴于高精度的檢校參數,而高精度的檢校參數需要高精度的航線解算結果,因為所有LiDAR數據計算都以航線數據為基礎。因此,對于檢校飛行來說,制定一個好的工作計劃尤為重要。

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