国产机载LiDAR系统集成误差检校方法的比较

2015-02-06刘田龙谢劭峰左建章

地理空间信息 2015年2期

关键词：检校镜面激光雷达

刘田龙，常虹，谢劭峰，左建章

（1.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林 541004；2.中国测绘科学研究院，北京 100039；3.云南省基础地理信息中心，云南昆明 650032）

国产机载LiDAR系统集成误差检校方法的比较

刘田龙1,2，常虹3，谢劭峰1，左建章2

（1.桂林理工大学测绘地理信息学院，广西桂林 541004；2.中国测绘科学研究院，北京 100039；3.云南省基础地理信息中心，云南昆明 650032）

以国产SW-LiDAR系统为例，结合具体试验数据，对SW-LiDAR系统安置角误差检校方法进行比较。

机载LiDAR；安置角误差；集成检校；国产化

机载激光雷达（LiDAR）系统主要集成了激光测距仪、惯性测量系统、GPS接收机、中央控制系统、CCD相机及稳定平台等硬件。为了获得高精度的激光脚点坐标，需要对系统进行起飞前的单机检校和在航检校来消除系统集成误差。本文根据先后在陕西省汉中市多次飞行试验得到的数据，对只需选择特征地物，而不需要事先布设地面控制点的安置角误差检校方法进行了比较研究，并给出了详细的检校过程[1]。

1 SW-LiDAR系统集成误差

SW-LiDAR系统的误差可以分为2个方面：①量测误差，主要包括测距误差、GPS定位误差、IMU姿态误差；②集成误差，即系统各部件观测值集成过程中的系统集成误差，包括硬件安置角误差和数据处理误差。硬件安置误差是SW-LiDAR系统中各个子系统安置在一起时产生的误差，主要有偏心距误差、照准误差、角度步进误差，扭矩误差。数据处理误差是各个系统获取的数据进行整合处理时产生的误差，包括时间同步误差、内插误差、坐标转换误差等[2]。机载激光雷达系统误差检校的目的就是要确定所有系统误差，通过飞行试验数据进行系统误差改正，使其最终只剩下随机误差。

2 SW-LiDAR安置角检校原理

SW-LiDAR对地定位的坐标转换顺序为：瞬时激光坐标系→激光扫描坐标系→载体坐标系→惯性平台坐标系→当地平台坐标系→当地水平坐标系→当地垂直坐标系→WGS84坐标系。可以设某一束激光从发射点到目标点的距离为ρ，根据对瞬时激光坐标系的定义，此时激光脚点的坐标为（xSL，ySL，zSL），并有:

为了使用方便，还需要将WGS84坐标系进一步转化为局部坐标系。各坐标系之间的相互关系如图1所示。由此可以得出LiDAR的构像方程为：

为了简单表示，可用向量表示为：

式中，P=（x84y84z84）T是激光脚点在WGS84系中的坐标；PWGS=（xGPSyGPSzGPS）T是天线相位中心在WGS84系中的坐标；r=（0 0 ρ）T是激光脚点在瞬时激光束坐标系中的位置向量[3,4]。

图1 机载LiDAR系统坐标系之间的转换关系

由于安置角的存在，不同航带重叠区域的同一地物表现出不重合，可以通过此特点选取固定地物的位置移动来进行安置角的检校改正，但是在检校过程中，不同的检校顺序对结果影响是不同的。试验表明，以Roll、Pitch、Heading的顺序进行检校效果是最好的。

3 安置角检校方法的比较

3.1 飞行航线及质量要求

通过对安置角误差的分析可知，需要设计如下几条航线：①与飞机场跑道方向垂直，且穿过跑道上方、方向相反的2条重叠航线；②与尖顶房屋脊线方向垂直，且穿过屋顶上方、方向相反的2条重叠航线；③与水平楼顶方向垂直，且穿过楼等上方、方向相同的2条平行航线（相邻航带有30%的重叠）。航线设计如图2所示[5]。

图2 飞行航线设计图

机载LiDAR飞行质量要求：

1）“8”字飞行：避免IMU受累计误差影响。要求进入第一条航线前先平飞5 min，然后作“8”字转弯飞行，出最后一条航线后，再作“8”字转弯飞行，平飞5 min。

2）GPS静止观测：飞机在起飞前，需要地面静态GPS观测5 min。飞机落地后，也需静态GPS观测5 min。

3）盘旋转弯坡度：转弯坡度＜22°，最好在15°～20°之间。

4）航线上飞行姿态：侧滚角（Roll）＜5°；俯仰角（Pitch）＜5°；偏航角（Heading）＜20°。

3.2 安置角的检校步骤

中国科学院光电研究院在最近几年开发出了一种新型的扫描方式——四面塔镜扫描方式。每个镜面与转轴的夹角为44．5°，扫描点在地面上形成一簇弧形扫描平行线。该种扫描方式扫描视场角可达90°，并且能360°扫描，大大提高了扫描效率。

由于扫描方式的不同，解算过程中采用的解算方法不同，数据结果也会略微不同。本文采用4个镜面单独检校与4个镜面集成检校来进行误差对比，分析4个镜面集成检校是否能达到精度要求，从而提高数据后处理的解算效率[6]。

下面就以汉中市2个架次飞行试验数据为例，采用点云数据预处理软件SS-LiPre对3个安置角误差依次进行单镜面检校和4个镜面集成检校分析。

3.2.1 侧滚角检校

由于Roll角的存在使平面扫描线产生倾斜，被扫描物体平面位置沿着扫描方向产生位移，利用TerraScan软件加载这两条航线的点云数据，并沿着飞机场跑道方向切取多个垂直断面，切得的这些断面均为2条相交的直线，这两条直线的夹角为所求侧滚角的2倍，如图3所示。式中，Δ r为侧滚角改正值；d为往返飞时公路断面的相对距离。利用多个段面的均值作为侧滚角的检校值，根据飞行方向确定检校值的正负，重新把改正值输入到SS-LiPre软件，重复检校直到2条航线之间的高差满足限差要求[7]。