一種基于連接線的機(jī)載Lidar點(diǎn)云航帶平差方法

程 寇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

?

一種基于連接線的機(jī)載Lidar點(diǎn)云航帶平差方法

程 寇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

機(jī)載Lidar系統(tǒng)集成了激光掃描單元、POS系統(tǒng)等主要部件，各個(gè)測(cè)量子系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)集成之間存在一定誤差。雖然經(jīng)過(guò)系統(tǒng)檢?？上^大部分誤差，但仍會(huì)有殘余系統(tǒng)誤差存在。誤差的存在不僅影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度，更會(huì)造成不同航帶間同名特征點(diǎn)存在三維空間偏移，嚴(yán)重影響到后續(xù)數(shù)據(jù)處理和項(xiàng)目生產(chǎn)的精度。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，提出一種基于連接線的Lidar點(diǎn)云航帶數(shù)據(jù)平差方法，通過(guò)在航帶重疊區(qū)域生成連接線來(lái)計(jì)算航帶數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏移量，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確校準(zhǔn)。

機(jī)載激光雷達(dá) 連接線 航帶平差 點(diǎn)云

機(jī)載Lidar系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多傳感器集成系統(tǒng)，其精度受到系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)組成部分的共同影響。一般而言，機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)與其他空間數(shù)據(jù)一樣，也存在粗差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)中的粗差和隨機(jī)誤差主要表現(xiàn)為噪聲點(diǎn)形式，可通過(guò)后處理方式予以剔除。

目前，各家Lidar設(shè)備生產(chǎn)廠商均提供了適合各自產(chǎn)品的檢校方法，但通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)檢校的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍存在著殘余系統(tǒng)誤差，殘余系統(tǒng)誤差的存在直接影響了數(shù)據(jù)精度和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的可靠性。通過(guò)項(xiàng)目生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，殘余系統(tǒng)誤差成為影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)主要因素，殘余誤差的消除是保證高精度機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)后處理的前提和基礎(chǔ)。

Lidar系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中，由于航高和掃描視場(chǎng)角的限制，單條航帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只能覆蓋一定的地面寬度。在線狀工程中，由于線路走向以及方案的不穩(wěn)定性，通常需要飛行多條航線。這種情況下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差主要體現(xiàn)在預(yù)處理及檢校完成后，航帶數(shù)據(jù)接邊處存在著系統(tǒng)偏移。

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量可通過(guò)尋找重疊區(qū)域的同名特征點(diǎn)，以點(diǎn)特征為基元，根據(jù)幾何定位方程建立誤差觀測(cè)方程。但機(jī)載Lidar系統(tǒng)中，由于Lidar數(shù)據(jù)獲取方式的特點(diǎn)以及實(shí)際地物的復(fù)雜性，從Lidar數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取高精度的連接點(diǎn)非常困難，目前大多采用人工選取或半自動(dòng)選取的方法，但精度仍受點(diǎn)密度的限制?；诖耍岢鲆环N基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)連接線生成方法，通過(guò)重疊航帶內(nèi)同區(qū)域的大量連接線，建立起航帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)間偏移關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的消除。

1 誤差源分析

機(jī)載Lidar系統(tǒng)中的誤差主要表現(xiàn)為激光測(cè)距誤差、硬件安置誤差和數(shù)據(jù)處理誤差，但在工程應(yīng)用中，對(duì)最終點(diǎn)云成果影響較大的主要是DGPS定位誤差、姿態(tài)測(cè)量誤差和安置角誤差。

1.1 DGPS定位誤差

DGPS的定位誤差是影響激光腳點(diǎn)精度的主要因素。GPS動(dòng)態(tài)定位誤差主要包括衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)、整周模糊度求解正確與否等因素。同時(shí)，DGPS定位還受到數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中多種因素的影響，包括：飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)半徑過(guò)小導(dǎo)致GPS信號(hào)被遮擋造成失鎖、作業(yè)時(shí)有效衛(wèi)星顆數(shù)及分布、DGPS數(shù)據(jù)解算方案、地面基站分布與距離等。

1.2 安置角誤差

儀器安置時(shí)產(chǎn)生的誤差主要是指非掃描狀態(tài)下，由于安裝而造成的激光束偏離機(jī)下點(diǎn)的系統(tǒng)誤差，即航向角誤差、俯仰角誤差和橫滾角誤差。機(jī)載Lidar系統(tǒng)中，IMU與激光掃描儀緊密固聯(lián)，安裝時(shí)盡量保證了IMU各軸和激光掃描儀系統(tǒng)各軸指向平行，但實(shí)際安裝完畢后，IMU各軸指向均與掃描儀存在一個(gè)微小角度差。雖然在飛行過(guò)程中可進(jìn)行檢校場(chǎng)飛行予以改正，但誤差很難徹底消除。

1.3 數(shù)據(jù)后處理誤差

機(jī)載Lidar系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理誤差主要包括時(shí)間同步誤差、數(shù)據(jù)內(nèi)插誤差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差。該類誤差在數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中通過(guò)相關(guān)參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化，可使得誤差逐步減小。

2 技術(shù)流程與關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 技術(shù)流程

從機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、計(jì)算量以及工程應(yīng)用的適用性上出發(fā)，提出了如圖1所示的基于連接線的航帶平差計(jì)算流程。

圖1 機(jī)載Lidar航帶平差技術(shù)流程

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)航帶標(biāo)識(shí)

機(jī)載Lidar項(xiàng)目通常都會(huì)有幾十甚至上百條航線，重飛補(bǔ)飛等情況經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致航線分布凌亂。航帶標(biāo)識(shí)主要是考慮在平差過(guò)程中，同一區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同航帶多層點(diǎn)分布的情況。平差計(jì)算前，需要首先根據(jù)GPS時(shí)間來(lái)區(qū)分每條航帶，并予以編號(hào)標(biāo)識(shí)。圖2所示為某一項(xiàng)目中標(biāo)識(shí)后的航線分布。

圖2 航帶標(biāo)識(shí)與空間分布

目前，檢校后的Lidar數(shù)據(jù)多為L(zhǎng)AS1.2格式，該格式文件頭中的數(shù)據(jù)項(xiàng)LASF_Point_Source_ID和LASF_GPS_Week_Time和LASF_GPS_Week分別記錄了點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源和GPS時(shí)間信息，如表1所示。通過(guò)航跡文件與之對(duì)應(yīng)，即可生成唯一的航帶標(biāo)識(shí)信息。

表1 LAS 1.2格式說(shuō)明

(2)航帶數(shù)據(jù)分類

航帶數(shù)據(jù)分類需要以單條航帶為整體進(jìn)行分類，采用的是和點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類時(shí)不同的策略，其目的是為了提高連接線生成的精度與可靠性，需考慮以下幾個(gè)條件：

①植被區(qū)域應(yīng)盡量分離出，該區(qū)域通常存在多次回波，且地表結(jié)構(gòu)不可靠；

②應(yīng)分離出具備較好地表反射信號(hào)的地物，如平坦地面、傾斜屋頂、墻壁等；

③分類出的表面面片應(yīng)均勻分布在空間中。

(3)自動(dòng)連接線生成

在機(jī)載Lidar系統(tǒng)中，從Lidar數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取高精度的連接點(diǎn)非常困難，考慮到區(qū)域內(nèi)Lidar數(shù)據(jù)的相對(duì)精度較高，提出一種在航帶重疊區(qū)域內(nèi)自動(dòng)生成連接線的方法，只對(duì)重疊區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可避免其它區(qū)域不必要的檢索和計(jì)算，一定程度上提高了計(jì)算效率。算法具體步驟包括：

①對(duì)分類完畢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行航跡線關(guān)聯(lián)，并根據(jù)點(diǎn)云的空間分布建立數(shù)據(jù)分塊工程。

②根據(jù)航跡線和點(diǎn)云的空間分布關(guān)系，自動(dòng)搜索航帶重疊區(qū)域。

③對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行點(diǎn)云精度檢核，確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大偏移閾值。

④根據(jù)地形地貌情況，設(shè)置連接線長(zhǎng)度、搜索間距。

⑤對(duì)區(qū)域內(nèi)的地面點(diǎn)、房屋等面片進(jìn)行TIN數(shù)據(jù)構(gòu)網(wǎng)，判斷坡度和地面起伏是否滿足面片要求，若無(wú)有效面片，則進(jìn)行下一區(qū)域搜索。

⑥逐面片生成連接線。

⑦逐航帶連接線輸出。

(4)系統(tǒng)偏移計(jì)算

基于項(xiàng)目實(shí)際精度情況，選擇合適的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型或傳感器檢校模型。地面上線性特征屬性滿足曲線方程的計(jì)算條件時(shí)，通過(guò)誤差方程即可計(jì)算出各偏移量。

當(dāng)重疊區(qū)域的高程存在差值時(shí)，通常會(huì)選擇Z方向的偏移改正；當(dāng)重疊區(qū)域平面、高程均存在偏移時(shí)，可同時(shí)選擇Z方向和Roll、Pitch和Heading角度的改正。但在平面、高程聯(lián)合改正的情況下，連接線的生成需要考慮多個(gè)方向的分布，同時(shí)需要較大的連接線密度。

在線狀工程中，航帶多以單航帶或雙航帶出現(xiàn)。如果平差對(duì)象為兩條航帶，則直接對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算；若包含多航帶的測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)，需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊、分類，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)航帶平差計(jì)算。

3 項(xiàng)目應(yīng)用分析

選用東南亞某國(guó)的高速鐵路Lidar定測(cè)項(xiàng)目作為應(yīng)用實(shí)例。該項(xiàng)目采用Leica ALS70 機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，飛行過(guò)程中均配備了地面基站聯(lián)合觀測(cè)。通過(guò)POS解算、安置角檢校后，輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果誤差仍然較大，在平面和高程上均存在較大誤差，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)偏移量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目在重疊區(qū)內(nèi)高程最大偏移量為0.6 m，平面最大偏移量為0.3 m。對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)建立工程，并按照?qǐng)D1所示的平差流程進(jìn)行處理，得到最終的平差結(jié)果。

圖4到圖5分別為數(shù)據(jù)處理過(guò)程中航帶分類結(jié)果和連接線示意。

圖4 航帶數(shù)據(jù)分類結(jié)果

圖5 連接線分布

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差分布情況，選擇Z、Roll、Pitch和Heading角度時(shí)，計(jì)算出的偏移結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)偏移量計(jì)算結(jié)果

以圖6中的航帶平差參數(shù)改正值對(duì)各航帶進(jìn)行改正，得出誤差修正后新的Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)比平差前后航線間的偏移量，如表2所示。

表2 航線標(biāo)識(shí)與平差結(jié)果示意

將平差前后航帶間高程差做成曲線對(duì)比圖分析(如圖7所示)，可以看出：平差后的航帶間高程誤差均小于0.1 m，平差結(jié)果良好。

圖7 平差前后航帶高程誤差對(duì)比

4 結(jié)論

航帶平差的目的在于消除機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。系統(tǒng)誤差的存在導(dǎo)致航帶重疊區(qū)同名特征間存在系統(tǒng)性偏移。因此，消除了相鄰航帶間的系統(tǒng)偏移，即達(dá)到了消除系統(tǒng)誤差的目的。

借鑒了傳統(tǒng)攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差的思想，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于連接線的機(jī)載Lidar航帶平差方法，并在項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，效果良好。為達(dá)到更好的平差效果，建議在多航帶平差時(shí)，需單獨(dú)設(shè)計(jì)點(diǎn)云的構(gòu)架航線，以提高點(diǎn)云平差精度。

[1] 高文峰，王長(zhǎng)進(jìn).鐵路勘察中使用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪橫斷面相關(guān)問(wèn)題的探討[J].鐵道勘察，2010(2)

[2] 李平蒼.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路橫斷面測(cè)繪中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2013(5)

[3] 朱慶，李志林.數(shù)字高程模型[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000

[4] 王麗英，宋偉東，孫貴博.機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)航帶平差研究進(jìn)展[J].遙感信息，2012(2)

[5] 王麗英，宋偉東.機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)逐航帶平差與區(qū)域網(wǎng)平差對(duì)比[J].測(cè)繪科學(xué)，2013(2)

[6] 賴旭東.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2006

[7] 賴旭東.機(jī)載激光雷達(dá)基礎(chǔ)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010

[8] 張春亢.基于海量機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的規(guī)則格網(wǎng)生成算法研究[D].福州：福建師范大學(xué)，2012

[9] 未永飛，杜正春，姚振強(qiáng).激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的快速三角剖分及局部?jī)?yōu)化[J].激光技術(shù)，2009(12)

[10]王晏明，郭明.大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的二維與三位混合索引方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012(8)

One Method of Strip Block Adjustment for Airborne Lidar Data Based on Tie Lines

CHENG Kou

2016-07-12

程 寇(1985—)，男，2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)05-0027-03

P225.2；P207+.2

B