基于连接线的LiDAR点云航带平差方法的研究与应用

李 伟

（辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110034）

0.引言

机载激光雷达技术（Airborne Light Detection and Ranging,Airborne Lidar）是集激光测距技术、计算机技术、惯性导航系统（IMU）和高精度动态GPS差分定位技术（DGPS）为一体的一种可快速获取地面三维信息的新型测量技术[1]。随着测绘先进设备的不断更新，数据处理的技术水平也需要不断完善。该技术制作的DEM产品与传统航摄方式制作的DEM产品相比，具有精度高、纹理细致、还原地表形态真实、数据产品丰富等特点，能够满足多行业、多领域的专业性需求，该技术已成为国际公认的传统航摄技术的更新换代技术。

激光雷达技术是一种实现了空间三维坐标和影像数据同步、快速、高精度获取的高尖端空间技术[2]，雷达数据的优点显而易见，可是在技术上怎样突出显示出其精度高，效率快的特点呢？目前，已有的技术路线大部分消除了雷达数据由于设备自身原因形成的系统误差。生产中我们发现还存在有设备、自然因素等多方面原因造成的部分数据残差。残差的存在影响雷达数据的精准度，本文引入连接线的概念，通过航带间重叠区域的内插计算生成大量连接线，形成航带间点云数据偏移的位置关系，更好地完善航带间的偏移误差。

1.机载LiDAR系统误差源分析

残留误差的积累是影响点云数据精度的必然因素，误差的存在更会造成不同航带间同名特征点存在三维空间偏移，其严重影响点云数据的精准度[3]。因此如何利用一种有效的点云航带平差方法，精准、快速地实现点云数据的精确校准，成为了一个亟待解决的重点问题。

机载LiDAR系统采集数据的方式为推扫式，其航带宽度取决于航高等相关因素。测区的范围和设计要求决定了航线的走向和数量，每条航线点云按航线轨迹分离后可以发现航线见重叠部分的三维空间上的差异，这就是我们针对研究的航带漂移差。

生产工作中，误差来源存在多重性或不确定性，针对于不同原因引起的误差处理方法也各不相同，在减少误差的基础上使成果数据尽量靠近真值。根据《CHT 3014-2014-数字表面模型机载激光雷达测量技术规程》要求，航带间点云数据连接点的平面位置中误差应小于平均点云间距，高程中误差应小于项目点云数据的高程精度中误差。

2.技术流程与关键技术分析

2.1 技术流程

从点云数据的特点、针对于我们研究的航带漂移的误差分析理论，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 航带平差计算流程图

2.2 关键技术分析

2.2.1 航带标识

生产项目中通常都会有数量较多的航线覆盖整个测区，航带间多层数据叠加现象纷繁复杂，平差计算前，按每条航带GPS时间码来予以编号标识。（如图2所示）为阜新海州露天煤矿中标识后的航线分布。

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）。以此作为区分每条航带数据的标识依据。

2.2.2 自动连接线生成

在每条航带数据归属计算完成后，我们运用程序进行航线数据的拟合计算，以单条航线数据为单元构建三角网。相邻两条航线叠加计算分析，得到连接线矢量数据。

2.2.3 系统偏移计算

对项目数据精准分析后，根据检校值对原有数据进行系统差改正，地面上线性特征属性满足曲线拟合方程的计算条件时，通过误差的几何关系得出各偏移量。

图2 航带标识与空间分布

表1 LAS1.2格式说明

航线偏移的计算以矢量（tie line）形式体现，其走势承不规则波形分布，偏移值得最终消除方法也比较多，一般采取均值法或最小二乘法等计算差值。也就是这里得tie line数量越多，解算得到的差值越合理。航线重叠部分的数值也越接近于真值。

“连接线”类别指定用于解决XY和Z不匹配的连接线类型为“曲面坡度后的剖面线”。这些设置主要影响波动的XYZ解。无论如何，应该以合理的方式为数据集设置值。默认值（坡度>45度时为XY，坡度<45度时为Z）适用于垂直墙可用于XY匹配的移动数据集。对于机载点云数据，建议将其更改为较小的值，例如15到30度之间的XY和相应的Z。数据集中的坡度越陡（在地形和/或建筑屋顶，搜索剖面连接线的潜在位置），XY的值就越大。XY值越大，数据集的波动XY解就越可靠。

除了系统位移的校正外，连接线还可用于应用随时间变化的校正（波动校正、漂移）。这对于纠正轨迹解的局部漂移是必要的，例如，如果在飞行或驾驶过程中GPS信号出现故障。波动修正是提高移动激光数据精度的重要环节，但对机载数据也很有用。

如果不涉及控制测量，则软件将计算与激光数据条之间的特征位置平均值相对应的连接线特征的猜测位置。如果轨迹解提供了对每个驱动过程的位置精度的估计，则这些估计在计算平均位置时转换为权重因子。这将导致较低精度的条带得到较大的校正，而较高精度的路径得到较小的校正。

如果使用控制测量，观察到的校正是激光数据中的连接线特征位置和控制测量位置之间的差异。

激光数据的实际校正被用作随时间变化的校正曲线。修正曲线是通过计算每条联络线观测值的修正值来建立的。校正是两个连续观测值之间的线性插值。（如图3所示）：

图3 连接线矢量波形图

修正曲线的平滑涉及轨迹位置的精度估计。对于精度估计较差的位置，应用较大的校正值。一个因素决定了校正曲线变化的速度。一个小因素会导致曲线更平滑。如果连接线不太好，并且可能包含异常值，则应使用此选项。因子越大，曲线越不光滑，单联络线观测对最终解的影响越大。这应该用于良好的领域。

如果未应用平滑，则每条连接线观测值将完全影响最终校正值。建议检查连接线并找出错误的连接线。否则，更平滑的校正曲线对其余不准确的联络线观测值不太敏感。如果基于从已知精确xyz坐标值的地面控制点收集的精确连接点计算校正值，则也不能使用平滑。

3.实例验证

本项研究结合阜新海州露天煤矿及周边基础调查测绘保障、机载激光雷达数据获取和1∶1000比例尺数字高程模型生产项目。项目采用徕卡ALS70机载激光雷达系统进行数据采集，同时配以地面基站联合观测。通过POS与地面基站联合解算后，航带间仍存在平面和高程肉眼可见的误差值。（如图4所示）：

图4 系统偏移量计算结果

根据分析，该项目在航线重叠区内高程偏移最大值为0.6m，平面偏移最大值为0.3m。连接线的分布和体现形式（如图6所示），这样的数值影响了雷达数据的精准度。在此基础上对整个测区进行误差优化，按照图1所示的平差技术流程进行处理，求取更优的平差结果。（如图5所示）：

图5 航带数据分类结果

图6 连接线分布

根据点云数据误差分析情况，按照数据的现有状况，迭代寻找Z、Roll、Pitch和Heading最优值后，计算出的偏移结果。（如图7所示）：

图7 系统偏移量计算结果

根据图7中计算的改正参数值对各航带进行改正，输出误差修正后的LiDAR点云数据，对比改正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分析 (如图8所示)，可以看出：平差后的航带间高程误差均小于0.1m，平差结果较好。

图8 误差对比分析

本项目是辽宁省ALS70机载激光雷达系统在我省DEM制作生产领域上的一次成功应用，生产过程中，克服了大比例尺矿坑地形的高落差以及实际地物的复杂性，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。在技术上有重大突破，解决了多个技术难题，探索出了机载激光雷达系统航带平差的技术路线和方法，并成功应用于“阜新海州露天煤矿及周边基础调查测绘保障项目”，完成了面积为55平方千米的大比例尺矿坑DEM制作。涵盖平地、矿坑等复杂地貌。

基于连接线的LiDAR点云航带数据平差方法制作的DEM产品，精度高，纹理细致，更加符合地表真实形态，目前阜新海州露天煤矿测区的DEM产品已经被应用到周边环境治理及城市转型规划的工作中，为辽宁省的社会经济发展，奠定了坚实的基础，对推动辽宁省测绘地理信息产业的进步发展具有重要意义。

4.结束语

激光雷达技术在采集地表数据方面具有传统航空摄影测量所无法比拟的巨大优势，LIDAR技术在国内部分省份众多领域已经有广泛地应用，并且深受关注。在机载LiDAR系统的应用过程中，能否更好地展现出它的高精度的特性，更好地应用于国计民生是我们当前要解决的一个问题。那么，解决系统误差的关键技术和方法以获取高精度的机载LiDAR数据，就是现在迫在眉睫的问题。本次项目以机载LiDAR数据应用研究为出发点，对矿坑地区点云数据的航带平差处理方法的关键技术进行了理论研究与实践，并取得了一些成果，并在辽宁省内首次应用了基于连接线的LiDAR点云航带数据平差方法，有效解决了航带间平差难题，为国内其他测绘单位在矿坑地区生产数字高程模型提供了技术依据。