無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)效率及精度提升方法研究

唐 敏 張欽文

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

激光雷達(dá)是集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)于一體的空間測(cè)量系統(tǒng)。與其他遙感技術(shù)相比，激光雷達(dá)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，受天氣影響小，數(shù)據(jù)生成周期短、精度高的技術(shù)特點(diǎn)。近年來(lái)，各種系統(tǒng)技術(shù)逐漸發(fā)展，如掃描儀測(cè)距更長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速更高，全球定位系統(tǒng)精度更高、體積更小，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更靈敏等，促使激光雷達(dá)技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，激光雷達(dá)技術(shù)已可以實(shí)現(xiàn)最高2 400 m有效測(cè)距的高精度測(cè)量模式。為適應(yīng)不同的作業(yè)場(chǎng)景，還有機(jī)載、車載和背包等作業(yè)模式[1]。

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)常見的一些技術(shù)提升措施，在滿足精度和密度要求的情況下，跨測(cè)區(qū)飛行、測(cè)區(qū)內(nèi)小角度轉(zhuǎn)彎等提高飛行作業(yè)效率的方法，以及此情況下如何有效保證測(cè)量精度的方法，尚未有完整和詳細(xì)的研究。

1 激光雷達(dá)作業(yè)效率及精度提升方法

1.1 檢校場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

激光雷達(dá)的誤差源主要有全球定位系統(tǒng)定位誤差、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)誤差、激光掃描器的測(cè)角誤差及測(cè)距誤差、設(shè)備各系統(tǒng)的集成誤差4個(gè)方面[2]。

為了減少上述誤差對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成的影響，項(xiàng)目開始前應(yīng)進(jìn)行飛行檢校場(chǎng)作業(yè)，在一定的海拔獲取原始數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的軟件得到如下改正參數(shù)，以改正初始的點(diǎn)云質(zhì)量：坐標(biāo)改正參數(shù)X、Y、Z；姿態(tài)改正參數(shù)Heading（俯仰角）、Pitch（旋滾角）、Roll（偏航角）。

因?yàn)闄z校場(chǎng)需要選擇專門的區(qū)域，從而占用一個(gè)有效架次甚至一個(gè)工作日，所以需要研究飛行檢校場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響程度，以評(píng)估何時(shí)需要進(jìn)行檢校場(chǎng)改正，何時(shí)不需要進(jìn)行檢校場(chǎng)改正。

1.2 測(cè)區(qū)內(nèi)沿著線路轉(zhuǎn)彎角度對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

由于無(wú)人機(jī)必須沿直線飛行，彎曲的鐵路線路設(shè)計(jì)會(huì)造成很多的冗余飛行面積。同時(shí)，鐵路改線范圍很大，多飛的面積并無(wú)很大的作用。如果無(wú)人機(jī)在測(cè)區(qū)內(nèi)可以沿著線路小角度轉(zhuǎn)彎航飛，則可以有效提升作業(yè)效率，但根據(jù)相應(yīng)規(guī)范并無(wú)明確條例允許此類作業(yè)方式。根據(jù)實(shí)際情況，如由于空中環(huán)境的影響，飛機(jī)始終處于不水平的狀態(tài)，存在一個(gè)小角度傾斜；車載激光雷達(dá)作業(yè)方式已在行業(yè)內(nèi)普遍存在，由汽車進(jìn)行牽引，令激光雷達(dá)沿著道路掃描，并且公路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑要求是遠(yuǎn)小于鐵路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑要求的[3]。由上述原因可知，沿著線路小角度轉(zhuǎn)彎航飛理論上是可行的，但需要準(zhǔn)確評(píng)估影響程度，以供外業(yè)作業(yè)人員參考。

1.3 跨測(cè)區(qū)作業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

跨測(cè)區(qū)作業(yè)，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況多架次交替進(jìn)行2個(gè)測(cè)區(qū)甚至多個(gè)測(cè)區(qū)的飛行作業(yè)。由于不同架次之間可能出現(xiàn)的一些誤差，如安裝誤差、全球定位系統(tǒng)定位誤差以及天氣影響造成的誤差等，此方法對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量可能造成不良影響，同時(shí)相應(yīng)規(guī)范并無(wú)明確條例允許此類作業(yè)方式。但此方法可以有效提升外業(yè)飛行的作業(yè)效率，所以需要研究跨測(cè)區(qū)作業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響程度，以便外業(yè)作業(yè)人員調(diào)整航線設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 流程示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用同一設(shè)備、采用同一操控方法，對(duì)特定時(shí)間段內(nèi)同一區(qū)域進(jìn)行多次不同飛行模式的測(cè)量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，評(píng)估內(nèi)符合精度；利用普通檢查點(diǎn)和特殊檢查點(diǎn)，檢驗(yàn)航飛的外符合精度；得出結(jié)論，輸出報(bào)告。

內(nèi)符合精度主要統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云的分層情況，主要參數(shù)有點(diǎn)云厚度、點(diǎn)云平均厚度、點(diǎn)云分層距離、同名斷面線距離以及改正數(shù)大小。

外符合精度主要依靠點(diǎn)云特征坐標(biāo)和檢查點(diǎn)坐標(biāo)的差距進(jìn)行評(píng)估，平面精度由特殊檢查點(diǎn)評(píng)估，高程精度由高程檢查點(diǎn)和特殊檢查點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。特殊檢查點(diǎn)的權(quán)重應(yīng)更高，權(quán)重建議為普通點(diǎn)的10倍[4]。

檢查點(diǎn)可分為平面檢查點(diǎn)和高程檢查點(diǎn)[5]。平面檢查點(diǎn)同像控點(diǎn)一樣，主要布設(shè)于地物特征點(diǎn)，如房角、地角、道路轉(zhuǎn)折角等，用于評(píng)估點(diǎn)云的平面精度；高程檢查點(diǎn)主要布設(shè)于平坦無(wú)遮擋的區(qū)域，如壩子、路面等，用于評(píng)估點(diǎn)云的平面精度。點(diǎn)云對(duì)地物的再現(xiàn)并不完整，使得精度評(píng)估并不準(zhǔn)確，所以采用人工特殊標(biāo)志物的特殊檢查點(diǎn)，同時(shí)評(píng)估平面和高程精度。

2.3 詳細(xì)流程及注意事項(xiàng)

（1）選擇場(chǎng)地：應(yīng)選擇比較典型的區(qū)域。（2）設(shè)計(jì)航線：按照作業(yè)規(guī)范或者廠家建議設(shè)計(jì)航線。（3）航飛采集：按照規(guī)范執(zhí)行每一個(gè)架次，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。（4）數(shù)據(jù)檢查：檢查基站全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、移動(dòng)站GNSS、慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）等原始數(shù)據(jù)，有問題時(shí)應(yīng)補(bǔ)飛。（5）數(shù)據(jù)處理：選擇一般性的設(shè)置，保證最終結(jié)果不受輸入?yún)?shù)的影響。（6）檢查點(diǎn)采集：應(yīng)保證高程和平面精度優(yōu)于10 cm，特殊控制點(diǎn)應(yīng)保證精度較高。（7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：應(yīng)分別統(tǒng)計(jì)原始點(diǎn)云和校正點(diǎn)云的質(zhì)量情況。（8）輸出報(bào)告：整理成表格、圖形等形式。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 飛行檢校場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

比較使用檢校參數(shù)前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以明顯看出，檢校參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升有明顯作用。但通常情況下，檢校航線占用了一個(gè)架次，對(duì)作業(yè)效率有影響。在本實(shí)驗(yàn)中，在進(jìn)入正常飛行航線前插入了檢校航線，即首先進(jìn)行檢校作業(yè)，再進(jìn)行正常作業(yè)。該方式對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升效果同樣明顯，與單獨(dú)做檢校并無(wú)明顯差別。

3.2 跨測(cè)區(qū)作業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

在本實(shí)驗(yàn)中，以不同航線順序完成了測(cè)區(qū)的飛行任務(wù)，結(jié)果并無(wú)明顯區(qū)別。從理論上考慮，跨測(cè)區(qū)作業(yè)與正常作業(yè)并無(wú)明顯區(qū)別，只與起算點(diǎn)的精度有關(guān)[6]?？刂破鹚泓c(diǎn)的精度，就能避免跨測(cè)區(qū)作業(yè)的影響?？梢?，跨測(cè)區(qū)作業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量并無(wú)影響。

3.3 不同轉(zhuǎn)彎角度對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響

根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況，表1反映了轉(zhuǎn)彎半徑、數(shù)據(jù)質(zhì)量及飛行姿態(tài)的相互關(guān)系。

不同轉(zhuǎn)彎角度時(shí)，各架次E（東坐標(biāo)）、N（北坐標(biāo)）、H（高程）中誤差如圖2所示。

從圖2可以看出，折線整體向右下方向傾斜，說明轉(zhuǎn)彎半徑的大小也即飛機(jī)姿態(tài)對(duì)激光掃描的精度確有一定程度的影響。在飛行姿態(tài)Roll小于12°以及轉(zhuǎn)彎半徑大于800 m時(shí)，使用ARS-1000L采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是滿足當(dāng)前測(cè)繪規(guī)范要求，可以應(yīng)用于地形圖、橫縱斷面等測(cè)繪工作。

表1 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

圖2 各架次E、N、H中誤差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）飛行檢校場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升有明顯作用，可以靈活插入到正常飛行航線前。

（2）跨測(cè)區(qū)作業(yè)對(duì)點(diǎn)云精度并無(wú)顯著影響，涉及不同起算數(shù)據(jù)時(shí)，影響主要與起算數(shù)據(jù)有關(guān)，與飛行方式無(wú)關(guān)。

（3）本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備，在飛行姿態(tài)Roll小于12°以及轉(zhuǎn)彎半徑大于800 m時(shí)，飛行數(shù)據(jù)可滿足規(guī)范要求。對(duì)于同精度或者高精度設(shè)備，外業(yè)飛行可以將此結(jié)果作為參考，但應(yīng)注意所使用設(shè)備的其他要求。