机载激光雷达误差检校的探讨

沈文亮

摘要：目前，国内外在机载激光雷达测量技术上都面临着消除系统误差的问题。基于此，就机载激光雷达误差检校进行了探讨，以期为有关方面提供参考借鉴。

关键词：机载激光雷达；误差；检校；飞机

中图分类号：TN958.98文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）08－0049－02

机载激光雷达是一种将全球定位技术、惯性导航技术和激光扫描测距技术有效集成的对地观测技术，具有受天气影响小、自动化程度高和成图周期短等特点。

1系统集成误差

机载激光雷达系统误差检校最终目的是要确定所有的系统误差，通过试验确定系统误差参数，建立改正模型或用其他方法消除激光点云系统误差，最终使其只剩随机误差。

系统误差消除顺序是先对激光原始数据进行误差改正，激光扫描仪的单机误差包括测距误差（加、乘常数误差）和测角误差，改正参数按照航飞前试验检校的数据进行改正，得到改正后的激光数据与IMU数据和DGPS数据集成解算。解算过程中必须消除集成误差，包括偏心量误差、安置角误差、内插误差和时间同步误差。其中，安置角误差包含侧滚角误差、俯仰角误差、航向角误差。

在检校过程中，不同的检校顺序对最终的结果影响是不同的。经过一些学者的多次研究和尝试发现，先检校侧滚角，再俯仰角，最后航向角的检校顺序是最佳的。

偏心量可以通过全站仪来精确测定，在主要探讨机载激光雷达在消除单机误差、偏心量误差、内插误差和时间同步误差的影响后，单独对安置角误差进行检校。

2利用测区条件检校安置角

本次试验选取的检校场位于市区，测区面积为4.2 km×3.0 km，自然环境优越，且该地区飞行任务少；测区具备多条平直马路和多个大型“人”字形尖顶厂房；检校区域内水域少，避免了激光反射率低引起的检校精度较低的现象。这些都为飞行试验提供了良好的条件。

本次试验采用的机载激光雷达系统包括Lair-Lidar轻量化机载激光扫描仪、激光陀螺IMU、天宝5700测量型GPS接收机和Canon5DMarkⅡ相机，系统搭载的是A2C轻小型飞机。

安装完设备后，按照设计的航线飞行到指定的高度采集数据。通过相应的数据处理得到系统的安置角误差，对安置角误差进行消除，最终得到不含有系统误差的激光点云数据。

对于安置角误差的检校，本文采用基于特征地物的在航分离安置角误差的检校方法，这些特征地物包括尖顶房和平直公路。具体检校流程如下所述：侧滚角r的检校可通过往返重叠航带的垂直航飞方向的平直公路来检校；俯仰角p的检校可用特征地物来检校，一般选择屋脊线垂直于飞行方向的“人”字顶来检校；航偏角h的检校是非常重要的，因为h的存在不但会使地物产生位移，还会使地物发生变形。为了便于计算，可将航线设计为一条穿过“人”字顶的正上方，并且“人”字顶位于相邻的航线的边缘。

改正完r，p，h后再检查一遍，依次对r，p，h进行调整，直至往返、相邻、交叉航线中的重叠区域的地物重合得都很好为止，得到的最终安置角误差检校。3个安置角检校完成并消除后，将不含有系统误差的点云数据展示在DY－2点云工作站软件中，得到该测区的点云图。

3利用检校场检校安置角

利用检校场检校安置角的思想是建立一个可以模拟飞行并布设一定控制点的地对地检校场。通过检校场求取激光扫描仪和IMU之间的安置角，保持二者的安装不拆直接搬至测区，对测区进行航测，将检校场求取的安置角直接应用于测区。这种方法虽然省时、省力、更经济，但是此方法的可行性还需要验证。可利用测区现有的条件，再次求取安置角，并与检校场求取的安置角进行对比验证。

3.1建立地对地检校场

地对地检校场，场地大小为90 m×120 m，主要由塔吊、吊舱和地面控制点组成，如图1所示。塔身高52 m，起重臂长55 m，起重臂的水平性误差在±3°内，抗风性能6级。其中，吊舱由内环、中环和外环上部分组成，内环为航偏轴来模拟飞机的航偏姿态，中环为横滚轴来模拟飞机的横滚姿态，外环为俯仰轴来模拟飞机的俯仰姿态。根据吊舱控制平台，通过人工设置的三个角度，经控制器解算和控制伺服电机系统协调工作，从而使吊舱控制平台调整出合理姿态，实现模拟飞机空中飞行的目的。

地面控制点点位的精度直接影响了机载LIDAR系统集成检校的精度。控制点点位布设在有效的控制区域，三年内控制点位的相对位移应小于2 mm。试验开始前，将标志点的中心轴拧在控制点位处；试验完成后，可将标志点拧下保存。在地对地检校场的四个角还分别布设控制点A，B，C，D，采用GPS静态定位观测与国家控制网联测，解算精度为毫米级，试验时作为已知点安放GPS基站用，其他地面标志点则分散布设在场地中间。

检校场共布设66个标志点，平均分布。试验之前，将基站GPS安置在A，B，C，D其中一个点上，设备安装在塔吊吊舱上。操作塔吊使激光雷达系统沿塔臂方向往返模拟飞机飞行，通过吊舱控制平台的参数设置，来模拟各种飞行姿态扫描地面标志点，激光扫描方向与飞行方向垂直。试验完成后，将全站仪放置在任意地方，用A，B，C，D中的任意两点定向测出每个标志点的坐标。

通过编程实现数据处理，得到镜面一的安置角误差。将求取的安置角误差带入程序，对安置角进行改正，重新计算得到不含有系统误差的WGS－84坐标点云。在点云数据中找到标志点（如图1所示），然后分离出三角锥的点云，找到最顶端的点云坐标，即为标志点的坐标。以全站仪的测量值为真值，计算得到x的方向残差中误差为0.039 m，y方向残差中误差为0.032 m，z方向的残差中误差为0.015 m，平面中误差为0.05.

3.2测区解算安置角误差法

为了验证地对地检校场求取的安置角用于测区的可行性，可利用测区现有条件，再次求取安置角，并对其进行验证。所以，航线设计时，要考虑测区现有的条件。

与利用测区条件求取安置角试验所不同的是，本次试验布设地面控制点。为了验证检校区求解的安置角的准确性，在设计航线时，需注意在测区内布设以下航线：①垂直于公路且在公路的正上方有同一条往返飞的航线。②垂直于尖顶房屋脊线