一種基于連接線的機(jī)載Lidar點云航帶平差方法

程 寇

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

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一種基于連接線的機(jī)載Lidar點云航帶平差方法

程 寇

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(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，各個測量子系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)集成之間存在一定誤差。雖然經(jīng)過系統(tǒng)檢?？上^大部分誤差，但仍會有殘余系統(tǒng)誤差存在。誤差的存在不僅影響點云數(shù)據(jù)的絕對精度，更會造成不同航帶間同名特征點存在三維空間偏移，嚴(yán)重影響到后續(xù)數(shù)據(jù)處理和項目生產(chǎn)的精度。結(jié)合生產(chǎn)實踐，提出一種基于連接線的Lidar點云航帶數(shù)據(jù)平差方法，通過在航帶重疊區(qū)域生成連接線來計算航帶數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏移量，最終實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精確校準(zhǔn)。

機(jī)載激光雷達(dá) 連接線 航帶平差 點云

機(jī)載Lidar系統(tǒng)是一個復(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)為噪聲點形式，可通過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，但通過研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過檢校的點云數(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。通過項目生產(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)過程中，由于航高和掃描視場角的限制，單條航帶的點云數(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)航空攝影測量可通過尋找重疊區(qū)域的同名特征點，以點特征為基元，根據(jù)幾何定位方程建立誤差觀測方程。但機(jī)載Lidar系統(tǒng)中，由于Lidar數(shù)據(jù)獲取方式的特點以及實際地物的復(fù)雜性，從Lidar數(shù)據(jù)中自動提取高精度的連接點非常困難，目前大多采用人工選取或半自動選取的方法，但精度仍受點密度的限制。基于此，提出一種基于點云數(shù)據(jù)的自動連接線生成方法，通過重疊航帶內(nèi)同區(qū)域的大量連接線，建立起航帶點云數(shù)據(jù)間偏移關(guān)系，以實現(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，對最終點云成果影響較大的主要是DGPS定位誤差、姿態(tài)測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精度的主要因素。GPS動態(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，DGPS定位還受到數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理過程中多種因素的影響，包括：飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時半徑過小導(dǎo)致GPS信號被遮擋造成失鎖、作業(yè)時有效衛(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，但實際安裝完畢后，IMU各軸指向均與掃描儀存在一個微小角度差。雖然在飛行過程中可進(jìn)行檢校場飛行予以改正，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)后處理過程中通過相關(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、計算量以及工程應(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

機(jī)載Lidar項目通常都會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)識主要是考慮在平差過程中，同一區(qū)域會出現(xiàn)不同航帶多層點分布的情況。平差計算前，需要首先根據(jù)GPS時間來區(qū)分每條航帶，并予以編號標(biāo)識。圖2所示為某一項目中標(biāo)識后的航線分布。

圖2 航帶標(biāo)識與空間分布

目前，檢校后的Lidar數(shù)據(jù)多為LAS1.2格式，該格式文件頭中的數(shù)據(jù)項LASF_Point_Source_ID和LASF_GPS_Week_Time和LASF_GPS_Week分別記錄了點數(shù)據(jù)來源和GPS時間信息，如表1所示。通過航跡文件與之對應(yīng)，即可生成唯一的航帶標(biāo)識信息。

表1 LAS 1.2格式說明

(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，采用的是和點云數(shù)據(jù)分類時不同的策略，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)自動連接線生成

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

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

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

③對整個項目進(jìn)行點云精度檢核，確定點云數(shù)據(jù)最大偏移閾值。

④根據(jù)地形地貌情況，設(shè)置連接線長度、搜索間距。

⑤對區(qū)域內(nèi)的地面點、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)偏移計算

基于項目實際精度情況，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算條件時，通過誤差方程即可計算出各偏移量。

當(dāng)重疊區(qū)域的高程存在差值時，通常會選擇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，可同時選擇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方向的分布，同時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)。如果平差對象為兩條航帶，則直接對加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計算；若包含多航帶的測區(qū)數(shù)據(jù)，需要先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊、分類，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)航帶平差計算。

3 項目應(yīng)用分析

選用東南亞某國的高速鐵路Lidar定測項目作為應(yīng)用實例。該項目采用Leica ALS70 機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，飛行過程中均配備了地面基站聯(lián)合觀測。通過POS解算、安置角檢校后，輸出的點云數(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)偏移量計算結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計，該項目在重疊區(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。對整個測區(qū)建立工程，并按照圖1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)點云數(shù)據(jù)誤差分布情況，選擇Z、Roll、Pitch和Heading角度時，計算出的偏移結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)偏移量計算結(jié)果

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

表2 航線標(biāo)識與平差結(jié)果示意

將平差前后航帶間高程差做成曲線對比圖分析(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)攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差的思想，提出并實現(xiàn)了一種基于連接線的機(jī)載Lidar航帶平差方法，并在項目中得到了應(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，需單獨設(shè)計點云的構(gòu)架航線，以提高點云平差精度。

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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

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