CN104007432A - 一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法，涉及激光雷达扫描数据的质量评价，属于机载激光雷达技术领域。由于激光雷达对地表半随机离散扫描的特点，地面特征点难以被直接采集到，现阶段对于机载LIDAR数据的质量控制评价尚缺乏成熟实用的方法。本发明从点云数据几何特性出发，对地面标志物进行特殊的设计，采用拟合定位方法提取地面标志检查点，用于提高点云平面检查精度，进而建立基于统计方法的数据质量评价的指标与方法。

Description

一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法

技术领域

本发明涉及激光雷达扫描数据的质量评价与鉴定，通过设计特殊的十字型地标，基于点云强度差值精确识别地标，并采用最小二乘中心线拟合算法确定地标中心，从而实现激光雷达扫描数据平面精度检查及质量评价，属于机载激光雷达技术领域。 

背景技术

机载激光雷达(LiDAR-light detection and ranging)是一种新型主动式航空遥感对地观测技术。从功能上讲，机载LiDAR是一种集激光、全球定位***(GPS)和惯性测量单元(IMU)三种技术于一身的***，这三种技术的结合，可以高度准确地定位地面目标的三维坐标。现今，机载激光雷达***中还配备的千万级像素的航空数码相机，用于获取地面的高清晰数码影像，为后续生产正射影像提供基础数据。机载激光雷达技术与传统航空摄影测量相比具有快速、高效、受天气影响小的优势，在测绘、国土资源、森林、矿产、数字城市、城市规划、灾害监测(河岸灾害监测)、风险估计等领域具有重要应用。 

机载LiDAR点云是指通过机载激光发射器接受的信号进行处理所获得的表达地表三维形态的、离散的、密度不均匀的数据点集，能够以较高的精度反映地表的真实情况。其中，LiDAR点云的误差可分为相对误差和绝对误差。相对误差指LiDAR点云不同航带间的相对偏差，可通过剖面手工检校以及航带平差进行误差评定和消除，目前国内外大部分研究工作也集中在相对误差的消除方面。绝对误差指LiDAR点云与实际地理位置的偏差，由于LiDAR点云分布不规则，其密度并不完全均匀，在LiDAR点云中选取控制点或连接点时，无法像高分辨率影像那样可精确选取影像特征点作控制点或连接点，因此针对LiDAR绝对误差的检查，只能基于统计学的方式进行。 

机载LIDAR高程绝对误差可以利用LiDAR点云拟合的地表面高程，与布设的控制点高程比较，进行定量评判。水平方向的绝对误差检查，由于点云离散分布的特性，需要设计特设的地面标志物。目前国际上最权威的水平精度评价方法由Csanyi.和Toth设计，利用一种特殊的圆形地标，通过测量圆形地标实际中心 点和基于地标上点云拟合中心的距离，检查点云的平面精度。该方法能准确评价水平精度的前提是保证足够多的点云打到圆形地标上，因此圆形地标直径要非常的大，携带不方便且成本高昂，推广的价值不高。国内LiDAR工程项目为了节制成本，航高通常大于1000米，点云密度较低，该方法的可行性就更差了。目前LiDAR点云的水平精度常常仅通过设备厂商提供的参考精度或者光斑直径进行估算，严密性远远不够。随着LiDAR技术应用的不断深入，LiDAR水平精度评价体系的缺失，已逐渐成为该技术进一步推广的障碍之一。 

发明内容

本发明针对现有方法的难以有效评价机载LiDAR水平精度的问题，提供了一种通过布设地面特殊标志物，使其在机载LiDAR点云数据中作为检查点能够被清楚辨识及精确定位，且在实地外业测量中作为控制点能够被精确测量，从而用于机载激光雷达平面精度检查的方法。 

包括以下步骤： 

步骤1：十字地标的设计。地标材料选择设置为颜色与周围环境有较大差别且反射率明显比周围地物高的材质。地标形状为十字形、由多块正方形白色烤漆板组装，地标的十字线宽应为点云间距宽的1.25倍以上，十字线长为其线宽的10倍以上。那么该十字地标中心平面坐标的在点云数据中拟合误差优于平均点间距的5％，即该拟合误差方差D_拟＝(0.05λ)²。 

步骤2：十字地标的布设。布设区域为连续反射属性的平坦地表，且周围无房屋树木遮挡；保证检校场内至少有30个十字地标，各十字地标间距均匀，至少50％的十字地标布设于航带重叠区域。 

步骤3：采用传统外业测量手段精确测定十字地标的中心坐标，作为控制点坐标。 

步骤4：通过机载LiDAR对地表进行半随机离散扫描。 

步骤5：利用强度分析快速提取十字地标上的点云、基于最小二乘原理拟合地标内的点云，提取两条交叉的中心线，取两条中心线的交点坐标为作为检查点坐标。 

步骤6：结合以上获取的数据进行平面精度检查与质量评定； 

本发明优点：1.十字地标内的点云便于识别和提取，并且具有较高的匹配拟合精度，因此精度评价的可靠性得到了保障。2.十字地标具有易组装、易拆卸的优势，和传统的圆形地标相比较，成本更低，可重用性更好，更符合中国国情。 

附图说明

附图给出基于十字地标进行机载LiDAR点云平面精度检查的具体说明。 

图1：十字地标的设计示意图； 

图2：点云数据中十字地标的强度特征图； 

图3：点云数据中十字地标拟合中心示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步说明。 

步骤1：十字地标的设计 

1.材料选择 

选择白色烤漆板为十字地标布设的材料，如表1所示：针对LiDAR的红外波段激光，白色烤漆板的材质与周围环境有较大差别，其反射率明显强于周围地物。 

表1十字地标与常见材质近红外波段的反射强度统计表 

2.尺寸设计 

为了方便装卸、携带并提高重用性，十字地标设计为一个多块正方形板材的 组合。其长宽尺寸如附图1，实地布设地标样例如附图2。 

作为点云中检查点的十字地标中心点可由十字地标内的点云拟合两条相交直线自动获取(拟合方法详见步骤5)，故检查点的拟合精度主要受点云平均点间距和十字地标的尺寸这两方面因素制约。因此，地标尺寸需要根据预设航飞测量的点云平均间距设计，从而达到精确匹配的目的。根据飞行航线设计指标中的点云数据密度ρ，可换算得到点云平均间距本方案设置十字地标的十字线宽为1.25λ，十字地标的十字线长为12.5λ。【CH/T8024-2011机载激光雷达数据获取技术规范】(中3：术语和定义：3.6点云密度) 

依照此地标尺寸进行了拟合精度的实验验证，其方法简述为：1.在实验点云数据中设置大量模拟地标，模拟地标的轮廓范围和中心坐标已知；2.提取模拟地标范围内的点云进行拟合定位(拟合方法详见步骤5)；3.计算拟合坐标与模拟中心坐标的拟合误差。 

经验证得，十字地标中心平面坐标的在点云数据中拟合误差优于平均点间距的5％，即该拟合误差方差D_拟＝(0.05λ)²。上述拟合误差在点云数据同名点测量误差限差的10％以内(机载LiDAR数据获取技术规范中规定：点云数据同名点测量误差不超过平均点间距的2/3)，完全满足点云数据水平精度的质量评价条件。 

步骤2：十字地标的布设 

由于地面标志用于多航带间的控制点或连接点的匹配定位，地标的位置应该按照飞行航线和布设方法确定。其布设位置应尽可能的布设在航带重叠区域；该区域应为近红外波段反射强度连续且平坦地表，如：土壤、沥青，从而增加地标与地面的反射强度的对比度、辨识度；地标附近20米内无房屋树木的遮挡，其总体布置应该便于传统外业测量、易于判读。地标与点云的空间关系如附图3所示。 

地面标志最好能布设于当地既有水准点之上，若如此则可以直接通过水准点坐标找出标志物位置，这样可以提高数据精确度。 

步骤3：精确测定十字地标的中心坐标 

按步骤2中的布设方法布设完毕后，采用传统外业测量方式(如：GPS RTK 测量)对十字地标的中心点进行精确实地测量，该地标中心的坐标测量值可作为控制点坐标(x_控,y_控)。如附图3 

步骤4：机载LiDAR对地表进行半随机离散扫描 

机载LiDAR点云获取的详细过程和要求，请参考国家***于2011年颁发的“中华人民共和国测绘行业标准—机载LiDAR数据获取技术规定”。本文不再赘述。需要指出的是：步骤3和步骤4的顺序可以随意交换。 

步骤5：点云数据中地标提取和精确定位 

1.根据点云反射强度特征提取地标上的点云数据 

由于十字地标的特殊材质，扫描到十字地标上的激光点云(近红外波段)的反射强度远大于普通地面的反射强度，如表1。因此，根据十字地标的反射强度特性，提取反射强度值大于200(由LiDAR设备获取的点云数据，其反射强度值在0～255之间，白色烤漆板的反射率较高>40％，对应的反射强度计数值>200)的高强度点云作为精确扫描到十字地标上的点云。 

2.通过十字地标内的点云拟合十字地标的两条中心直线l₁、l₂，获得两条中心直线l₁、l₂的交叉点的平面坐标。 

直线l₁、l₂为两条待拟合的中心直线，设l₁的直线方程为：y＝Ax+B，根据最小二乘原理，拟合直线与地标上邻近高强度点云偏差的平方最小，数字表达式为： 

$\mathrm{\φ}(A,B)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{\mathrm{Ax}}_i-B)}^2---\left(1\right)$

确定了拟合直线两个常量A、B的值，也就确定了直线方程，因此将式(3)中的A、B作为分量并分别求导数，令其为0，得： 

$\begin{array}{c}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂A}=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-{\mathrm{Ax}}_i-B)x_i\\ \frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂B}=2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-{\mathrm{Ax}}_i-B)\end{array}---\left(2\right)$

经整理得： 

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-A\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-B\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-A\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-\mathrm{nB}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中x_i、y_i为点云坐标，n为直线上点云的个数，代入上式计算可求出拟合直线y＝Ax+B，A，B为直线方程系数。 

同理，可计算求出l₂的直线方程：y＝Cx+D。最后求解下列二元一次方程组，便可得十字地标在点云中的拟合中心平面坐标(x_拟,y_拟)，即： 

计算得 

步骤6：平面精度检查与质量评定 

当通过上述方法得到十字地标在点云上的坐标后，即可用于后续的平面精度检查与质量评定。 

首先利用已布设的N个十字地标的外业测量中心点(x_i控,y_i控)(见步骤3)作为控制点，十字地标在点云中的拟合中心平面坐标(x_i拟,y_i拟)(见步骤5)作为对应的检查点，计算实地控制点与点云上的检查点在平面上的总体测量误差的方差D_总，计算公式如下： 

由于该误差中包含控制点的外业测量误差、点云自身的扫描测量误差及点云上检查点的拟合误差，根据平差理论中误差传播率可知： 

D_总＝D_控+D_点+D_拟  (7) 

式中：D_总为控制点与点云拟合检查点的平面总体测量误差的方差，通过公式(6) 计算求出；D_控为控制点的外业测量误差的方差，根据实际外业测量精度获取，D_拟为本方法十字地标在点云中的拟合中心平面坐标的拟合误差的方差，由步骤1给出；D_点为点云自身的扫描测量误差的方差，为点云质量评价的重要指标。 

而且在实际平差中，外业控制点的测量值精度很高，通常视为真值，即外业测量误差的方差D_控＝0，则公式(7)可简化为： 

D_总＝D_点+D_拟   (8)因此点云自身的扫描测量误差的方差D_点即为： 

D_点＝D_总-D_拟   (9) 

上式即为基于地面控制信息的检查、质量评定结果。当D_总＞5D_拟时，本方法的十字地标拟合误差可忽略不计，控制点与点云拟合检查点的总体误差较大，直接反映了真实的点云测量精度较低，说明该测区点云数据需要进一步利用地面控制点与拟合检查点对点云进行联合平差纠正(利用控制点对测区进行联合平差纠正为点云数据处理中的基本步骤，本方案中不再赘述，本方案只用给出用于联合平差解算的控制点及其对应检查点即可)，从而进一步提高点云的测量精度；当D_总≤5D_拟时，说明点云测量精度较高，无需地面控制点的修正。 

Claims (4)

1.一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、选用白色烤漆板作为十字地标；

根据点云数据密度ρ，换算得到点云平均间距设置十字地标的十字线宽为1.25λ，十字地标的十字线长为12.5λ；那么该十字地标中心平面坐标的在点云数据中拟合误差优于平均点间距的5％，即该拟合误差方差D_拟＝(0.05λ)²；

步骤2、布置十字地标在航带重叠区域中近红外波段反射强度连续且平坦的地表；

步骤3、测量十字坐标的外业测量中心坐标作为控制点坐标x_控,y_控；

步骤4、利用机载LiDAR对地表进行扫描获得LiDAR点云数据；

步骤5、根据点云反射强度特征提取十字地标上的点云数据；

步骤6、通过十字地标的点云数据拟合十字坐标线的两条中心直线l₁、l₂,获得两条中心直线l₁、l₂的交叉点的平面坐标x_拟,y_拟；

步骤7、利用已布设的N个十字地标的外业测量中心点x_i控,y_i控作为控制点，i∈1～N，十字地标在点云中的拟合中心平面坐标x_i拟,y_i拟作为对应的检查点，计算实地控制点与点云上的检查点在平面上的总体测量误差方差D_总，计算公式如下：

步骤8、当D_总＞5D_拟时，用地面的控制点与拟合的检查点对点云进行联合平差纠正；当D_总≤5D_拟时，无需地面控制点的修正。

2.根据权利要求1所述的一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法，其特征在于，所述的步骤2中，十字地标布设在既有水准点上。

3.根据权利要求1所述的一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法，其特征在于，所述的步骤5包括以下步骤，根据十字地标的反射强度特性，提取点云数据中反射强度值大于200的点云作为十字地标上的点云。

4.根据权利要求1所述的一种检查机载激光雷达平面精度的地标布设方法，其特征在于，所述的步骤6包括以下步骤：

设定直线l₁/l₂的直线方程为：y＝Ax+B，根据以下公式求得参数A和B

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-A\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-B\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-A\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-\mathrm{nB}=0\end{array}\right.$

式中x_i、y_i为直线l₁/l₂上点云坐标，n为直线l₁/l₂上点云的个数，将代入上式计算可求出拟合直线y＝Ax+B，A，B为直线方程系数。