一种基于连接线的机载Lidar点云航带平差方法

程 寇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)



一种基于连接线的机载Lidar点云航带平差方法

程 寇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

机载Lidar系统集成了激光扫描单元、POS系统等主要部件，各个测量子系统本身以及系统集成之间存在一定误差。虽然经过系统检校可消除绝大部分误差，但仍会有残余系统误差存在。误差的存在不仅影响点云数据的绝对精度，更会造成不同航带间同名特征点存在三维空间偏移，严重影响到后续数据处理和项目生产的精度。结合生产实践，提出一种基于连接线的Lidar点云航带数据平差方法，通过在航带重叠区域生成连接线来计算航带数据的系统偏移量，最终实现点云数据的精确校准。

机载激光雷达 连接线 航带平差 点云

机载Lidar系统是一个复杂的多传感器集成系统，其精度受到系统内多个组成部分的共同影响。一般而言，机载Lidar数据与其他空间数据一样，也存在粗差、随机误差和系统误差。机载Lidar数据中的粗差和随机误差主要表现为噪声点形式，可通过后处理方式予以剔除。

目前，各家Lidar设备生产厂商均提供了适合各自产品的检校方法，但通过研究发现：经过检校的点云数据中仍存在着残余系统误差，残余系统误差的存在直接影响了数据精度和后续数据处理的可靠性。通过项目生产发现，残余系统误差成为影响数据质量的一个主要因素，残余误差的消除是保证高精度机载Lidar数据后处理的前提和基础。

Lidar系统在作业过程中，由于航高和扫描视场角的限制，单条航带的点云数据只能覆盖一定的地面宽度。在线状工程中，由于线路走向以及方案的不稳定性，通常需要飞行多条航线。这种情况下，点云数据的系统误差主要体现在预处理及检校完成后，航带数据接边处存在着系统偏移。

传统航空摄影测量可通过寻找重叠区域的同名特征点，以点特征为基元，根据几何定位方程建立误差观测方程。但机载Lidar系统中，由于Lidar数据获取方式的特点以及实际地物的复杂性，从Lidar数据中自动提取高精度的连接点非常困难，目前大多采用人工选取或半自动选取的方法，但精度仍受点密度的限制。基于此，提出一种基于点云数据的自动连接线生成方法，通过重叠航带内同区域的大量连接线，建立起航带点云数据间偏移关系，以实现系统误差的消除。

1 误差源分析

机载Lidar系统中的误差主要表现为激光测距误差、硬件安置误差和数据处理误差，但在工程应用中，对最终点云成果影响较大的主要是DGPS定位误差、姿态测量误差和安置角误差。

1.1 DGPS定位误差

DGPS的定位误差是影响激光脚点精度的主要因素。GPS动态定位误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、多路径效应、整周模糊度求解正确与否等因素。同时，DGPS定位还受到数据获取和数据处理过程中多种因素的影响，包括：飞机转弯时半径过小导致GPS信号被遮挡造成失锁、作业时有效卫星颗数及分布、DGPS数据解算方案、地面基站分布与距离等。

1.2 安置角误差

仪器安置时产生的误差主要是指非扫描状态下，由于安装而造成的激光束偏离机下点的系统误差，即航向角误差、俯仰角误差和横滚角误差。机载Lidar系统中，IMU与激光扫描仪紧密固联，安装时尽量保证了IMU各轴和激光扫描仪系统各轴指向平行，但实际安装完毕后，IMU各轴指向均与扫描仪存在一个微小角度差。虽然在飞行过程中可进行检校场飞行予以改正，但误差很难彻底消除。

1.3 数据后处理误差

机载Lidar系统数据后处理误差主要包括时间同步误差、数据内插误差和坐标转换误差。该类误差在数据后处理过程中通过相关参数调整与优化，可使得误差逐步减小。

2 技术流程与关键技术分析

2.1 技术流程

从机载Lidar数据的特点、计算量以及工程应用的适用性上出发，提出了如图1所示的基于连接线的航带平差计算流程。

图1 机载Lidar航带平差技术流程

2.2 关键技术分析

(1)航带标识

机载Lidar项目通常都会有几十甚至上百条航线，重飞补飞等情况经常出现，导致航线分布凌乱。航带标识主要是考虑在平差过程中，同一区域会出现不同航带多层点分布的情况。平差计算前，需要首先根据GPS时间来区分每条航带，并予以编号标识。图2所示为某一项目中标识后的航线分布。

图2 航带标识与空间分布

目前，检校后的Lidar数据多为LAS1.2格式，该格式文件头中的数据项LASF_Point_Source_ID和LASF_GPS_Week_Time和LASF_GPS_Week分别记录了点数据来源和GPS时间信息，如表1所示。通过航迹文件与之对应，即可生成唯一的航带标识信息。

表1 LAS 1.2格式说明

(2)航带数据分类

航带数据分类需要以单条航带为整体进行分类，采用的是和点云数据分类时不同的策略，其目的是为了提高连接线生成的精度与可靠性，需考虑以下几个条件：

①植被区域应尽量分离出，该区域通常存在多次回波，且地表结构不可靠；

②应分离出具备较好地表反射信号的地物，如平坦地面、倾斜屋顶、墙壁等；

③分类出的表面面片应均匀分布在空间中。

(3)自动连接线生成

在机载Lidar系统中，从Lidar数据中自动提取高精度的连接点非常困难，考虑到区域内Lidar数据的相对精度较高，提出一种在航带重叠区域内自动生成连接线的方法，只对重叠区数据进行计算，可避免其它区域不必要的检索和计算，一定程度上提高了计算效率。算法具体步骤包括：

①对分类完毕的点云数据进行航迹线关联，并根据点云的空间分布建立数据分块工程。

②根据航迹线和点云的空间分布关系，自动搜索航带重叠区域。

③对整个项目进行点云精度检核，确定点云数据最大偏移阈值。

④根据地形地貌情况，设置连接线长度、搜索间距。

⑤对区域内的地面点、房屋等面片进行TIN数据构网，判断坡度和地面起伏是否满足面片要求，若无有效面片，则进行下一区域搜索。

⑥逐面片生成连接线。

⑦逐航带连接线输出。

(4)系统偏移计算

基于项目实际精度情况，选择合适的数据校准模型或传感器检校模型。地面上线性特征属性满足曲线方程的计算条件时，通过误差方程即可计算出各偏移量。

当重叠区域的高程存在差值时，通常会选择Z方向的偏移改正；当重叠区域平面、高程均存在偏移时，可同时选择Z方向和Roll、Pitch和Heading角度的改正。但在平面、高程联合改正的情况下，连接线的生成需要考虑多个方向的分布，同时需要较大的连接线密度。

在线状工程中，航带多以单航带或双航带出现。如果平差对象为两条航带，则直接对加载的数据进行平差计算；若包含多航带的测区数据，需要先对数据进行分块、分类，进行区域网航带平差计算。

3 项目应用分析

选用东南亚某国的高速铁路Lidar定测项目作为应用实例。该项目采用Leica ALS70 机载激光雷达设备进行数据获取，飞行过程中均配备了地面基站联合观测。通过POS解算、安置角检校后，输出的点云数据成果误差仍然较大，在平面和高程上均存在较大误差，如图3所示。

图3 系统偏移量计算结果

根据统计，该项目在重叠区内高程最大偏移量为0.6 m，平面最大偏移量为0.3 m。对整个测区建立工程，并按照图1所示的平差流程进行处理，得到最终的平差结果。

图4到图5分别为数据处理过程中航带分类结果和连接线示意。

图4 航带数据分类结果

图5 连接线分布

根据点云数据误差分布情况，选择Z、Roll、Pitch和Heading角度时，计算出的偏移结果如图6所示。

图6 系统偏移量计算结果

以图6中的航带平差参数改正值对各航带进行改正，得出误差修正后新的Lidar点云数据，对比平差前后航线间的偏移量，如表2所示。

表2 航线标识与平差结果示意

将平差前后航带间高程差做成曲线对比图分析(如图7所示)，可以看出：平差后的航带间高程误差均小于0.1 m，平差结果良好。

图7 平差前后航带高程误差对比

4 结论

航带平差的目的在于消除机载Lidar数据的系统误差，提高点云数据的精度。系统误差的存在导致航带重叠区同名特征间存在系统性偏移。因此，消除了相邻航带间的系统偏移，即达到了消除系统误差的目的。

借鉴了传统摄影测量区域网平差的思想，提出并实现了一种基于连接线的机载Lidar航带平差方法，并在项目中得到了应用，效果良好。为达到更好的平差效果，建议在多航带平差时，需单独设计点云的构架航线，以提高点云平差精度。

[1] 高文峰，王长进.铁路勘察中使用机载激光雷达测绘横断面相关问题的探讨[J].铁道勘察，2010(2)

[2] 李平苍.机载激光雷达技术在铁路横断面测绘中的应用[J].铁道勘察，2013(5)

[3] 朱庆，李志林.数字高程模型[M].武汉：武汉大学出版社，2000

[4] 王丽英，宋伟东，孙贵博.机载Lidar数据航带平差研究进展[J].遥感信息，2012(2)

[5] 王丽英，宋伟东.机载Lidar数据逐航带平差与区域网平差对比[J].测绘科学，2013(2)

[6] 赖旭东.机载激光雷达数据处理中若干关键技术的研究[D].武汉：武汉大学，2006

[7] 赖旭东.机载激光雷达基础原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2010

[8] 张春亢.基于海量机载LiDAR数据的规则格网生成算法研究[D].福州：福建师范大学，2012

[9] 未永飞，杜正春，姚振强.激光雷达扫描数据的快速三角剖分及局部优化[J].激光技术，2009(12)

[10]王晏明，郭明.大规模点云数据的二维与三位混合索引方法[J].测绘学报，2012(8)

One Method of Strip Block Adjustment for Airborne Lidar Data Based on Tie Lines

CHENG Kou

2016-07-12

程 寇(1985—)，男，2009年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2016)05-0027-03

P225.2；P207+.2

B