国产Lair-Lidar单机检校与试验研究

张 恒，冯德俊，马 浩

(1.西南交通大学测量工程系，四川成都610031;2.中国测绘科学研究院，北京100039;3.北京四维远见信息技术有限公司，北京100039)

一、引 言

LiDAR技术是全新的获取地理信息数据的方法，特点是可以直接获取高精度地表的三维坐标和回波强度信息，与普通的摄影测量相比，具有无法比拟的优势［1-2］。自20世纪70年代美国在阿波罗登月计划中应用激光雷达测高技术以来［3］，LiDAR技术就得到了蓬勃的发展，并且其应用范围也在不断扩大。然而，同国际发达国家相比，我国在LiDAR技术方面的应用研究相对滞后，武汉大学李清泉教授研制了地面激光扫描测量系统，但目前尚不能集成定位定向系统［4］。

激光扫描仪是LiDAR系统中的重要传感器之一，它的初始检校精确度将直接影响采集的数据质量和后续的数据处理工作。国内外一些学者纷纷针对LiDAR的初始检校开展了试验，如王留召针对RA-360型车载激光扫描仪的距离改正开展相关试验，通过激光器扫描的距离与实际距离对比，建立相关数学模型，并对测距值进行了改正［5］;E.Ahokas针对Optech ALTM 3100激光扫描仪的灰度信息开展试验，通过使用不同亮度的标志板对灰度信息加以改正［6］。然而由于各激光器的扫描方式，以及所用的波段不尽相同，这些方法仅适用于各自特定的激光器。

本文针对国产Lair-Lidar的距离改正和角度改正，引入相应的参数来建立数学模型，开展了单机检校试验，试验表明，该方法能够在一定程度上提高测距与测角的精度。对于距离改正，其基本思想是:在E.Ahokas灰度信息改正试验的基础上，对比全站仪测距原理，引入了加常数和乘常数的改正参数以建立数学模型，并通过差分的方法消去加常数和乘常数的影响，进而求出强度距离改正值，然后再将改正后的强度距离改正值加入模型，采用最小二乘法进行线性拟合，最终得到距离的改正;而对于角度改正，本文设计了转台试验并且分镜面检校，通过和实际角度对比，获取数据规律，然后使用回归分析来建立数学模型，分别得到了4个独立镜面的角度改正方程。

二、国产Lair-Lidar简介

Lair-Lidar由中国科学院光电研究院设计，其外形简单，方便安装在各类飞行平台上，适应于我国多山地貌和高效航测作业，外形如图1所示。

图1 Lair-Lidar轻小型机载激光扫描仪

图2 Lair-Lidar四面塔镜扫描

Lair-Lidar有关的技术指标见表1。

表1 Lair-Lidar技术指标

三、测距误差检校试验

1.建立测距模型

激光扫描仪进行距离测量有脉冲式测距和相位式测距两种方式［8］。Lair-Lidar采用的是脉冲式测距，即通过内部定时器来记录每个激光脉冲的往返时间，由于激光在空气中的传播速度为已知量，从而可以得到距离。考虑到其内部电路的时间延迟原理与全站仪的类似，故而加入加常数和乘常数来改正;再考虑到激光打到具有不同强度的物体上时，所得到的距离会有微小的差异，进而加入由于强度所引起的距离改正，从而得到测距的模型为

式中，LQ为距离真值;LL为LiDAR所测距离;K0为加常数;K1为乘常数;L(i)为强度距离改正。

2.强度对距离改正的试验方案

因为回波强度与地物的灰度值有关，本试验中为了确定回波强度对距离的影响，特将灰度值为0～255的A4打印纸贴在移动标志板上，并使相邻灰度纸的灰度有较大的差异，然后在标志板的底部贴上交通标志，以便移动标志板在点云图中被快速识别。为了减少外界因素的影响，试验采用绝对静态检校法，具体做法为:将LiDAR固定在一水平台上，并用水准管调平，分别将移动标志板竖直放于100～500 m不等的距离，用LiDAR和全站仪同时进行测量。由于全站仪测距精度远远大于激光测距精度，故而可以将不同距离处全站仪所测距离作为真值，LiDAR所测值作为观测值。由于强度对距离的影响大体上为一常数，因此可以将不同距离处由强度引起的距离改正放在一起，并采用差分的方法消去加常数和乘常数的影响，从而求出不同强度值之间的相对关系。为了使不同强度对距离的改正值的正负号一致，假定强度值为2047的距离改正为0，从而得出强度对距离改正的查找表，见表2。值得注意的是，距离改正0点设置的不同将会导致不同的加常数改正。

表2 强度对距离的改正数查找表 m

对比强度对距离改正前后的标志板点云变化情况，如图3、表3所示。

图3 强度对距离改正前后标志板点云变化情况

表3 强度对距离改正前后的距离中误差对比 m

从上述结果不难看出，加入强度距离改正后的数据变化很明显，数据的离散程度变得更小，测距精度有了明显的提高。

3.加常数和乘常数对距离改正的试验方案

在加入强度距离改正后，分别计算不同距离处全站仪与LiDAR测距值之差，见表4。

表4 不同距离处全站仪与LiDAR测距值之差 m

经最小二乘拟合后，加常数K0=-1.937，乘常数K1=0.000 124，最小二乘拟合图及加入所有改正数据后的残差分布图分别如图4、图5所示。

（2）后浇段伸出钢筋向内在1/6处进行稍微弯折，此时梁纵筋可按照施工图纸节点说明进行弯折，钢筋能够锚固，并且保护层厚度合乎规范；

图4 最小二乘拟合图

图5 残差分布图

4.测距方程的建立

由上述分析可知，加入所有改正参数后，激光的测距精度可达到3 cm，测距精度有了明显的提高。其中，激光测距值对应的误差方程应为

进而得到激光测距的方程应为

四、测角误差检校试验

1.角度改正的试验方案

激光扫描仪的角度误差是指激光扫描仪输出的极坐标角度与实际目标点的角度二者之间的差异，这是由其机械扫描轴与码盘轴偏心引起的。测角误差对瞬时激光坐标系向激光扫描坐标系转换时的影响是不容忽视的，因此对角度误差的测定是激光扫描仪检校的必要步骤。

为了减少外界因素的影响，本试验采用相对静止法。具体做法为:将LiDAR安置在双轴数显手动转台上，保证其扫描镜中心与转台中心大致在同一铅垂线上，并用长水准管将其调节至水平，同时每隔一段时间将转台转动一个小角度(大约2°)，然后静止扫描一段时间(大约20″)，则双轴数显平台转动的角度可认为是LiDAR实际转动的角度，而所测标志点在点云图上转动的角度则是LiDAR所测量的角度。将二者进行对比，即可建立角度改正方程。

由于Lair-Lidar为四面塔镜式扫描，而各个面因机械加工的影响其参数并不一致，且相互独立，因此要分别测定4个面的角度误差。在本试验中，共采集了两组数据，一组用于求解改正参数;另一组则用于精度检验。其中第一组数据中，各个面所对应的激光所测角度与转台角度之差的关系图如图6所示。

2.测角方程的建立

由上述数据可以看出，激光所测角度与转台角度之差近似为一条直线，因此可以采用一元线性回归法求解角度改正参数。求解出的第1个面的误差方程为

进而得到第1个面的测角方程为

同样的方法，可以求得另外3个面的测角方程分别为

式中，θi为第 i(i=1，2，3，4)个镜面所对应的经过改正后的角度值;θLi为第i个镜面所测量的角度值。

将所求出的测角参数对第2组数据进行改正，对比改正前与改正后的残差中误差，结果见表5。

图6 各扫描面的激光所测角度值与转台角度值之间的关系曲线

由表5可见，改正后，测角精度提高了一个数量级，接近1%水平，这也大大提高了LiDAR的定位精度。

五、结束语

单机检校的精度直接关系着机载或车载LiDAR系统的定位精度，本文针对国产Lair-Lidar提出了一种合理的角度和距离的改正方案，并通过具体的试验来验证改正后的精度。试验表明，该方法能够大大提高LiDAR的定位精度，并且简单易行，适用性强，可操作性强，具有进一步的推广空间与应用价值。

［1］刘春，陈华云，吴杭彬.激光三维遥感的数据处理与特征提取［M］.北京:科学出版社，2009.

［2］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.

［3］KAULA WH，SCHUBERT G，LINGENFELTER R E，et al.Apollo Laser Altimetry and Inferences as to Lunar Structure［C］∥ The 5th Lunar Sci.Conf.USA:［s.n.］，1974.

［4］李清泉，李必军.激光雷达测量技术及其应用研究［J］.武汉测绘科技大学学报，2000，25(5):387-392.

［5］王留召，韩友美，钟若飞.车载激光扫描仪距离测量参数标定［J］.测绘通报，2010(1):19-21.

［6］AHOKAS E，KAASALAINEN S，HYYPPÄ J，et al.Calibration of the Optech ALTM 3100 Laser Scanner Intensity Data Using Brightness Targets［C］∥The International Archives of the Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences.France:［s.n.］，2006:10-16.

［7］张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法［M］.武汉:武汉大学出版社，2007:43-44.

［8］陈松尧，程新文.机载LIDAR系统原理及应用综述［J］.测绘工程，2007(1):27-31.