LiDAR安置誤差對定位精度影響分析

丁 瓊,呂俊濤,陳高文,詹曉彬

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

LiDAR安置誤差對定位精度影響分析

丁 瓊,呂俊濤,陳高文,詹曉彬

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

機載LiDAR為復(fù)雜的多傳感器集成系統(tǒng)，系統(tǒng)誤差是影響LiDAR定位精度的主要誤差源.本文基于LiDAR定位方程，模擬往返航飛軌跡和激光腳點數(shù)據(jù)，定量地引入安置平移和安置旋轉(zhuǎn)誤差，研究各個系統(tǒng)誤差對定位精度的影響程度和規(guī)律.實驗結(jié)果表明安置平移誤差對激光腳點定位精度的影響在對應(yīng)方向有等量影響，而安置旋轉(zhuǎn)誤差對定位精度的影響在對應(yīng)方向與掃描角相關(guān).

LiDAR； 安置誤差； 定位精度

機載LiDAR (Light Detection and Ranging) 作為一種全新的空間對地觀測技術(shù)，能直接、快速地獲取研究對象表面大量高精度的三維坐標(biāo)點，在地形測繪、環(huán)境監(jiān)測、城市建模、森林生物量統(tǒng)計、快速應(yīng)急響應(yīng)等方面有著巨大的優(yōu)勢.該技術(shù)與其他遙感技術(shù)相比具有主動性強、自動化程度高、受天氣影響小、實時性強等特點，是近年來蓬勃發(fā)展起來的一種新型觀測手段和方法，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿1-4].

由于機載LiDAR集成多個子系統(tǒng)，其定位精度受到系統(tǒng)集成誤差、GPS定位誤差、定向、測距等各類因素的影響，導(dǎo)致獲取的點云數(shù)據(jù)與實際位置存在差異，降低了數(shù)據(jù)精度.為了獲取高精度高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，必須研究這些誤差的大小和影響規(guī)律并采取措施來消除或減小系統(tǒng)誤差.因此，如何消除或減弱系統(tǒng)誤差的影響，提高LiDAR的定位精度是目前機載LiDAR領(lǐng)域面臨的一個重要問題[5].由于機載LiDAR的定位原理、作業(yè)方案、數(shù)據(jù)處理等均不同于傳統(tǒng)的攝影測量與遙感系統(tǒng)，使得其消除誤差的方法有別于傳統(tǒng)的處理方法.目前，已有的系統(tǒng)誤差消除方法主要有兩類：一類是基于點云數(shù)據(jù)本身的航帶平差[6-9]，該方法是將點位偏差和航帶變形視為各類誤差源綜合作用的結(jié)果，并通過平差的方法使得重疊區(qū)域航帶差異最小化，來實現(xiàn)系統(tǒng)誤差的消除；另一類是基于傳感器校檢的航帶平差[10-13]，該方法主要通過測量航帶重疊區(qū)域同名特征的偏移，采用嚴(yán)密的幾何定位方程建立誤差模型，根據(jù)點云偏差求解傳感器物理參數(shù)值.

因此，要消除系統(tǒng)誤差，必須首先對各項系統(tǒng)誤差本身有深刻的認(rèn)識和理解.本文主要基于雷達定位方程，從理論上分析安置誤差對定位精度的影響及其規(guī)律，為后期分析數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)檢校提供參考.

1 LiDAR定位原理

LiDAR系統(tǒng)是由GPS、IMU和激光掃描測距儀3個子部件組成的.其中GPS提供平臺位置信息，IMU提供姿態(tài)信息，激光掃描儀提供掃描中心到地面點的距離信息.其定位原理如圖1所示.

圖1 機載LiDAR定位原理示意圖[14-15]

定位方程[14-15]為

XG=X0+

(1)

結(jié)合3個子系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)信息，就可以準(zhǔn)確計算出每一個激光腳點的地面坐標(biāo)，而大量的激光腳點聚集成激光點云(PointClouds).

2 實驗方案

傳統(tǒng)的安置誤差指由于安裝工藝上的限制，慣性測量單元坐標(biāo)系和激光掃描坐標(biāo)系不能完全重合及不平行而導(dǎo)致存在微小的位置和方向偏差，進而對定位精度產(chǎn)生影響.本次實驗研究的系統(tǒng)誤差包括安置平移誤差ΔX,ΔY,ΔZ，安置旋轉(zhuǎn)角誤差Δω,Δφ,Δκ.具體步驟如圖2所示.

圖2 實驗流程圖

首先，模擬給定的地平面和飛機軌跡，反算出系統(tǒng)觀測值，包括每一個激光腳點的距離、掃描角、定位和定向信息.然后對研究的系統(tǒng)參數(shù)引入定量誤差，生成帶有誤差的新坐標(biāo)點.最后與不含誤差的激光腳點進行比較，分析各個系統(tǒng)誤差對激光腳點在3個方向上的影響及大小，并總結(jié)系統(tǒng)誤差與地面點坐標(biāo)精度之間的關(guān)系及規(guī)律.

本次實驗基于往返飛兩條模擬航帶，并提取其中一條掃描線進行分析.假定GPS坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系平行，GPS中心和laser中心為一體，即，PG為0，且公式(1)中

(2)

其中，±分別對應(yīng)往返飛行，引入誤差后，地面點的定位方程可簡化為

(3)

其中，XU為帶有誤差的地面激光腳點坐標(biāo)，X0為GPS天線相位中心到地面坐標(biāo)系之間的矢量，ΔX,ΔY,ΔZ為安置平移量誤差，Δω,Δφ,Δκ為安置旋轉(zhuǎn)量誤差，ρ為激光光束傳播的距離，β為激光掃描角.

引入的各項系統(tǒng)誤差及其大小如表1所示.

3 實驗結(jié)果分析

實驗?zāi)M500 m航高下，飛機往飛和返飛采集的兩條掃描線，其掃描方向垂直于飛行方向，掃描角范圍為30°.定量引入表1中所示6個系統(tǒng)誤差后，激光腳點在X,Y,Z方向的影響如圖3所示.

表1 引入的安置誤差

圖3 各安置誤差項對定位精度的影響

圖3中，每行的3個子圖對應(yīng)一誤差項在X,Y,Z3個方向上的差異，圓點線段和虛線段為往飛和返飛獲取的激光腳點位置.橫坐標(biāo)為激光腳點沿垂直飛行方向所在的位置，原點位于飛機頂?shù)?；縱坐標(biāo)為引入誤差后激光腳點與原始腳點之間的差異.

從以上模擬結(jié)果可得以下結(jié)論.

(1) 安置平移量ΔX的誤差對激光腳點的影響僅在X方向，且誤差大小與安置誤差等量，往返飛誤差方向相反；在Y、Z方向無影響.

(2) 安置平移量ΔY的誤差對激光腳點的影響在Y方向，且誤差大小和安置誤差等量，往返飛造成的影響相反；在X、Z方向無影響.

(3) 安置平移量ΔZ的誤差對激光腳點的影響在Z方向，且誤差大小和安置誤差等量，往返飛造成的影響相同；在X、Y方向無影響.

(4) 安置旋轉(zhuǎn)量仰俯角Δω的誤差僅對激光腳點在Y方向產(chǎn)生影響，誤差大小沿著掃描線方向一致，往返飛造成的影響相反；在X、Z方向無影響.

(5) 安置旋轉(zhuǎn)量側(cè)滾角Δφ的誤差對激光腳點在X和Z方向產(chǎn)生影響，在Y方向無影響，X方向誤差大小沿著掃描線方向一致，而Z方向的誤差隨著掃描角的增加而增大，往返飛造成的影響相反.

(6) 安置旋轉(zhuǎn)量航偏角Δκ的誤差僅對Y方向定位精度有影響，在X、Z方向無影響，Y方向定位精度隨著掃描角的增加而降低，往返飛造成的影響相同.

4 結(jié)語

LiDAR系統(tǒng)誤差是影響數(shù)據(jù)精度的主要誤差源之一，必須對系統(tǒng)誤差進行嚴(yán)格的校正以期提高LiDAR定位精度.本文基于LiDAR定位模型，模擬往返航飛數(shù)據(jù)并定量地引入安置平移和安置旋轉(zhuǎn)誤差，推導(dǎo)了各項誤差對地面激光腳點精度的影響,總結(jié)了安置系統(tǒng)誤差對定位精度的影響及其規(guī)律，進而為后期數(shù)據(jù)處理及有針對性的系統(tǒng)誤差檢校提供參考.

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Influence of LiDAR Systematic Error on Positioning Accuracy

Ding Qiong, Lü Jun-tao, Chen Gao-wen, Zhan Xiao-bin

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Airborne LiDAR is multi-sensor system. Systematic error is a main error which affects LiDAR positioning accuracy. This paper simulates flight trajectory and laser footprints based on LiDAR positioning equation. Boresight errors are introduced to analyze the relationship between LiDAR systematic error and positioning accuracy. Results show that lever arm biases have the same impact on the accuracy of laser footprint while boresight angle biases have relationship with scanning angles on the positioning accuracy.

light detection and ranging (LiDAR); boresight error; positioning accuracy

2014- 11- 27

中國博士后科學(xué)基金資助項目(2014M552176);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(yj201311845054);廣東工業(yè)大學(xué)博士啟動項目(14ZK0014)

丁 瓊(1983-)，女，講師，博士，主要研究方向為機載LiDAR高精度數(shù)據(jù)處理和算法分析等.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.021

P231

A

1007-7162(2015)03- 0115- 04