第４１卷第３期 ２０１５年６月 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎ￣Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉ・Ｊ芝材 Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ 机载激光雷达数据误差分析及检校方法研究 马 烨 （中铁第四勘察设计院集团有限公司工勘院，湖北武汉４３００６３） 摘要：简要介绍了机载激光雷达系统，对机载激光 雷达数据主要误差来源进行了详细地分析，针对误差的成 因并结合实际的工程生产，详细阐述了机载激光雷达数据 视准轴误差和高程误差的检校方法，并结合实际工程案例 对该方法进行验证分析，为后续工程应用提供了参考。 关键词：机载激光雷达数据；ＬＩＤＡＲ；误差分析；数 据检校 中图分类号：Ｐ２２５．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１５）０３—０２１１—０３ ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７２—４０１ １．２０１５．０３．１０２ ０前言 机载激光雷达技术（ＬＩＤＡＲ），是当今现代测绘技术中的 新兴技术，该设备集多种测量技术包括激光测距技术、计 算机技术、高精度惯导系统（ＩＮＳ）和全球定位系统（ＧＰＳ）为 一体，能够通过测距、测角及ＧＰＳ动态差分定位，获取高 精度的数字地面模型及地面点的三维坐标。同时飞机上携 带有ＣＣＤ相机，可获取对应地区的影像信息，它为快速获 取高精度的地面三维信息提供了一种全新的技术手段。 由于机载激光雷达系统是集多种传感器于一身的测量 系统，其精度除了受到ＧＰＳ和ＩＮＳ精度的影响外，还受到 各种其他因素的影响。获取的点云数据质量是实际工程中 需要考虑的重要问题，本文详细分析了机载激光点云数据 的误差来源，并提出了在实际工程中的解决方法。 １ 机载激光雷达测量主要误差分析 影响机载激光雷达数据的质量和精度的因素有很多， 各传感器之间的安置误差，各传感器自身的测量误差，以 及飞行高度、地表覆盖、使用的平台、地面控制等各种因 素都可以造成数据的误差。根据误差来源，这些误差可以 分为系统误差和随机误差两大类。 １．１ 系统误差 机载激光雷达测量的系统误差按其产生的来源可分为 四类：①定位误差：ＧＰＳ定位误差；②测角误差：ＧＰＳ／ＩＮＳ 组合姿态确定误差和扫描角误差；③测距误差：激光扫描 测距误差；④集成误差：系统集成误差。 上述误差需要在做航带设计的时候就要考虑到，并采 取相应的方法和措施尽量避免或减小误差，一旦获取的原 始数据质量不符合要求，后面采取的任何补救措施效果都 是不大的。 １．１．１ ＧＰＳ定位误差 ＧＰＳ定位误差主要是由ＧＰＳ接收机的精度引起的。除 此之外，由于机载ＧＰＳ是动态定位，且在实际项目中由于 ＧＰＳ天线安置、地形、天气等因素，会影响ＧＰＳ信号的接 收，从而影响ＧＰＳ的解算精度。通过后期数据处理提高 作者简介：马烨，女，硕士，工程师，主要从事机栽激光雷达数据处理 摄影测量数据处理工作。 ＧＰＳ解算精度是比较困难的。通常为了提高ＧＰＳ定位精度， 减少ＧＰＳ定位误差的影响，采用的方法是在测区内沿航线 范围建立多个分布较均匀的基准站，每个基准站之间的间 隔小于３０ ｍ，确保ＧＰＳ动态定位解算时离基准站不会太 远。且在飞行前要做好仪器安置，测区天气、地貌等资料 搜集工作，保证飞行时，ＧＰＳ信号的良好接收。 １．１．２ ＧＰＳ／ＩＮＳ组合姿态确定误差和扫描角误差 ＧＰＳ／ＩＮＳ组合姿态确定误差和扫描角误差属于机载激 光雷达测量系统硬件自身的误差，需要通过激光雷达测量 技术的发展和设备工艺的升级来减少该类误差。 此类误差参数均属于仪器出厂参数，一般为固定值， 只要仪器按规定时间进行标定即可，实际工作中一般不需 要考虑此类误差。 １．１．３激光扫描测距误差 激光扫描测距误差主要是激光扫描测距仪器误差、大 气折射误差和与反射面有关的误差。对于大气折射误差和 与反射面有关的误差，一般仪器厂商在仪器出厂时会提供 相应的参数，以降低此类误差对测距精度的影响。除此之 外，由实际生产经验表明，可改变激光的频率去降低相应 误差的影响，这样就要求在做航带设计时要充分考虑实际 测区的作业环境、地表地物的状况等背景因素。对于由激 光扫描仪中测距仪所产生的误差，可根据每次飞行得到实 际数据，通过固定的解算方式，得到最合适的参数。对于 激光扫描测距误差的检校是机载激光雷达数据检校的重要 组成部分。 １．１．４系统集成误差 系统集成综合误差包括激光脉冲感应参考中心与ＧＰＳ 天线相位中心偏心向量的测定误差、系统安置误差、时间 同步误差、位置内插误差等。其中，由安装工艺造成的 ＧＰＳ／ＩＮＳ与激光扫描仪坐标轴不平行所产生的系统性角度 偏差即视准轴误差，对激光脚点坐标影响重大，是影响激 光点云精度的主要因素之一，必须对其进行精密的检校标 定。本文将对视准轴误差在实际生产中的解决方法进行详 细阐述。 １．２随机误差 除了系统误差外，ＨＤＡＲ数据质量也会受随机误差的 影响。随机误差主要来自于：接受信号的信噪比、激光束 宽度、激光发散、激光波长等激光仪器的相关误差，以及 空气的透明度、地形和地表覆盖类型等。例如在高山区， 其激光点云的平面误差会对其高程误差有较大影响。随机 误差与系统误差不同，很难用准确的数学模型对其进行量 化和消除，因此由随机误差造成的激光点云平面和高程误 差，在实际工程生产中，我们可通过下文介绍的方法对其 进行改正 ２误差检校方法 ２．１视准轴误差检校 视准轴误差可分解侧滚角（Ｒｏｌ１）、俯仰角（Ｐｉｔｃｈ）、旋偏 ・２１１・ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ Ｉ・Ｊ迂材 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２．２高程误差检校 第４ｌ卷第３期 ２０１５年６月 角（Ｈｅａｄｉｎｇ）。 ２．１．１侧滚角（Ｒｏｌ１） 侧滚角误差会导致获取的激光点云数据在航线两侧出 通过对造成机载激光雷达数据误差因素分析可以看出， 引起点云数据高程误差的因素有很多种，例如ＧＰＳ误差在 ｚ方向的误差分量、激光扫描仪的测距误差、系统集成误 差在ｚ方向的误差分量等，这些误差成因在实际工程中很 难一一区分加以改正。因此，在实际工程应用中采取的方 法是：在每次航飞项目前，进行检校场飞行，在检校场中 选择合适的高程控制点，根据高程控制点，测定每次激光 扫描仪的高程误差值，然后通过徕卡的ＡＬＳＰＰ软件将该值 现一边低一边高的现象（见图１）。若沿航线方向ｘ轴观察， 存在同一高程但点云条带左侧高右侧低的情况。因此在实 际生产中，选取相同航高相反方向飞行的两条航线，选取 垂直于航迹方向一平坦道路，横跨两条航线重叠区域画一 条剖面。一般选择与测区航高相当或者高于测区航高的航 线进行该项检查。当存在侧滚角误差时，两条航线的点云 轨迹是不能完全符合的，则采用下列公式计算侧滚角的值： ８ｒ＝ｄ／ｓｗａｔｈｗｉｄｔｈ 式中，ｄ为两条航线左右两侧的点云高程差值；ｓｗａｔｈ— ｗｉｄｔｈ为航带宽。 且……二：…………＝＝＝：＝＝＝＝＝ ＝：＝＝： ………………………：＝＝：＝：＝＝＝：＝：：：＝：＝ －”……－ｕ “………………＝ ：……：…： ：……＝ ＝ ＝＝ 图１ Ｒｏｌｌ角示意图 ２．１．２俯仰角（Ｐｉｔｃｈ） 俯仰向视准轴偏差会导致激光数据平面位置出现向前 或向后的错位（见图２）。Ｐｉｔｃｈ角误差对平地的点云数据没 有影响，因此实际生产中，一般选择两条相同航高相反飞 行的航线。在重叠区域选择尖顶房屋（房屋的屋脊线应垂直 于航向），沿航线方向在尖顶房的屋顶画一条剖面，量取两 个航带屋脊线间的差，采用下列公式计算ｐｉｔｃｈ值： ８ｐ＝ｄ／２Ｈ 式中，ｄ为屋顶的距离差，因为屋顶距离差优势不均 匀，可以量取最大和最小距离差后取均值；Ｈ为航高。 图２ Ｐｉｔｃｈ角示意图 ２．１．３旋偏角（Ｈｅａｄｉｎｇ） 沿航向观察，如果存在旋偏角误差，会导致平面扫描 线产生倾斜，使得被扫描物体的平面位置沿扫描方向产生 偏移（见图３）。因此，选择两条相同航高相同方向飞行的 航线，在相邻航线的重叠区域选择尖顶房屋（房屋的屋脊线 应垂直于航向），通过测量尖顶偏移值进而计算Ｈｅａｄｉｎｇ值： ８ｈ＝（ｄ１＋ｄ２）／ｄｉｓｔａｎｃｅ 式中，ｄｌ、ｄ２为屋顶的距离差；ｄｉｓｔａｎｃｅ为两平行航线 航迹垂直间距。 以上三个角度的检校顺序应按照Ｒ０ｌｌ—Ｈｅａｄｉｎｇ－－＊Ｐｉｔｃｈ 的次序进行。根据以上的方法可以对水准轴误差进行检校， 从而消除由视准轴误差带来的点云系统误差。 图３ Ｈｅａｄｉｎｇ角示意图 ・２１２・ 应用于测区点云数据的检校中。 ３工程应用 某铁路勘察设计项目位于华中地区，该区域为平原丘 陵地带，在航飞区域附近选择一处２ ｋｍ×２ ｋｍ的平坦区 域，该区域内包含一条水泥路及尖顶房屋，选择该区域为 检校场。本项目使用的激光扫描仪为徕卡ＡＬＳ６０，在检校 场内共采集３７０个点做为高程控制点，主要分布于水泥路 上和测区内部。在获取检校场飞行数据后，根据上述的误 差检校方法，对本次飞行的激光点云数据进行检校。 检校后，根据检校场内采集的２０个检查点，对检校后 的点云数据进行误差分析和统计。检校后，检校场激光点 云数据的高程中误差为０．０１４ ｒｎ。视准轴误差改正的效果如 图４～５所示。 。 ． ・ ． ． ●● ●● ● 图４ Ｒｏｌｌ角检校结果 图５ Ｐｉｔｃｈ角检校结果 将检校参数应用于测区点云数据，在每条航带的端头 和中间测量检查点，按航带将激光点云数据与检查点高程 进行对比分析，得到了测区激光点云数据高程误差统计， 见表１。通过该表可以看到，通过检校，测区点云数据高程 中误差为０．１０３ ｍ，且航带间高程的匹配也能满足后续数据 处理需求。通过工程实践，认为上述的检校方法能够较好 地对机载激光雷达数据进行检校，得到满足生产需求的点 云数据。 表ｌ 测区激光雷达数据各航带检查点高程中误差统计 航带号 高程中误差／ｍ Ａ０１ ０．ｔＯ１ Ａ０２ ０．０９７ Ａ０３ Ｏ．１１２ Ａ０４ ０．０８３ Ａ０５ ０．１１１ Ａ０６ ０．１２５ Ａ０７ ０．０９５ ４总结 本文浅析了机载激光雷达数据误差来源，详细阐述了 （下转第２１６页） Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ Ｉ・Ｊ之材 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第４ｌ卷第３期 ２０１５年６月 物质。加强检验液体外加剂有利于确保外加剂含量的有效 性，通过多次对比和试验，可以实现在外加剂的质量和价 格方面的优化，有效控制外加剂的成本，控制外加剂在混 难度，本着服务的理念，设计出合理的科学的混凝土配合 比。 为了对混凝土配合比进行有效控制，可以对每种混凝 凝土成本中的份额比例。同时要注意，如果需要更换外加 剂的种类，需要先对计量器具以及外加剂储存罐进行清理， 避免残留物遗留在容器内造成不必要的影响。 ２）砂石料。在选取砂石料时，首先要去砂石料的原产 地进行考察，确保搅拌混凝土采用的是优质的砂石料。优 质砂石料的选取对于混凝土搅拌站混凝土成本控制具有重 土配合比在每个工作班进行抽取分析试验。另外，要敢于 对配合比突破创新，在满足实际情况的条件下，科学合理 地利用新工艺、新材料，选取稀缺高价材料的替代品进行 试验，这样可以很好地节约成本。 ３．５对成本管理的模式进行创新 我国现阶段混凝土搅拌站成本管理的模式主要有委托 要的作用，一方面，优质的砂石料的含泥量低、粒径一般 符合标准，这就可以减少因砂石不合格而进行的筛沙洗石 环节，有效避免大量浪费现象的出现；另一方面，虽然选 加工合建搅拌站生产管理模式、委托加工自建搅拌站生产 管理模式、自行加工自建搅拌站生产管理模式这三种。 １）材料费的成本准确控制。物资部在核算期内要对方 便计量的材料及时进行核算，材料出账要依据实际的情况 进行账单的填制和手续的办理；对于砂石料等不方便计量 的材料，在季度末或者期末的时候采用“盘点法”对实际 购优质的砂石料会造成砂石料成本增加，但是优质的砂石 料保证了混凝土的强度，从而减少了外加剂以及水泥的用 量，所产生的综合费用也明显低于选购劣质砂石料的费用。 ３）水。为了确保混凝土的质量，搅拌混凝土通常采用 的消耗量进行计算，并填制相应的账单。财务部门对物资 部所提供的账单进行记录与计算，核算出生产成本。 ２）人工费的成本有效控制。人工费主要包括外聘劳务 饮用水，但是在饮用水获取困难的时候就必须采用非饮用 水进行混凝土的搅拌。非饮用水在混凝土搅拌使用之前必 须经过一定的检查和试验，符合规定后才能使用，这在一 人员的劳务费、生产工人的工资薪酬等等，为了提高人工 费的成本控制的有效性，可以采取包干控制，将零星用工、 文明施工以及安全生产按比例包给班组或者领工人员，将 单位工程技术含量低的项目通过招标的方式包给分包商， 这样既有利于管理，又有利于降低工费，定期预算出劳动 定额的定额用工量，对于支出要严格控制，对于超支的现 象要分析原因；提高工人的劳动效率，精简人员、科学合 定程度上也造成了浪费。 ４）水泥。在采购水泥的时候要选择信誉好、质量稳 定、规模大的旋窑水泥，对于散装的水泥窑要将入罐的温 度控制在一定的范围内。如果水泥入罐的温度控制不好， 水泥很容易出现结块等问题，这样一方面对混凝土的搅拌 极其不利，另一方面还会造成不必要的浪费。 ５）粉煤灰。拌制混凝土用的粉煤灰分为Ｆ类粉煤灰和 Ｃ类粉煤灰两大类，为保证混凝土的质量，对于不同的混 凝土工程，要选用相应等级的粉煤灰。 理的组织劳动，提高工作人员的组织管理与生产技术水平， 减少甚至避免无效劳动。 ３）其他生产费用的成本控制。人工费用与材料费用经 ６）矿粉。矿粉作为混凝土掺合料中量最少的部分，但 对混凝土性能的改善提高有着不可或缺的作用。主要表现 项目部办理之后，相关部门应该按照完整、准确、及时的 业务分工对生产过程当中的搅拌设备的质量检测费、水电 费、外租设备租赁费、临时设备摊销费以及折旧维修费等 各项费用进行结算，并填制单据，然后移交给财务部对当 期实际使用量及生产成本进行准确、完整地汇总核算。 ［ＩＤ：００２０６１］ 参考文献： 在：①改善胶凝材料的物理级配；②提高混凝土的力学性 能；③改善混凝土工作性能；④提高混凝土的抗渗抗冻能 力，增强耐久性等。为此，在选购矿粉时需要严格控制其 质量，特别是矿粉的细度；此外在与其他胶凝材料配合使 用时要根据不同的级配进行多次对比试验，选用最合适的 配比，避免不必要的亏损。 ３．４对混凝土的配合比进行合理地控制 ［１］张金辉．混凝土搅拌站的成本控制［Ｊ］．河南科技，２０１２，３７ （３）：９４—９５． 建筑行业发展，优化混凝土成本成为重要的考虑对 象 ］。混凝土搅拌站计算混凝土成本非常重要的依据就是 ［２］ 吴士斌，王永智，谭英格．混凝土搅拌站生产成本与安全风险控 制［Ｊ］．建筑与预算，２０１４，３７（８）：１８—２２． 混凝土的配合比，混凝土配合比是成本控制的重要部分， 同时它也决定了混凝土原料的用量具体情况，反映了一个 公司以及项目的技术水平。相关的人员要根据施工现场的 ［３］张达．浅谈混凝土搅拌站混凝土成本控制［Ｊ］．电子制作， ２０１５，２２（４）． （上接第２１２页） 实际工作中对视准轴误差和高程误差的检校方法。根据本 文论述的检校方法，机载激光雷达数据的检校是利用检校 场数据进行的，获取检校值后应用于测区各个架次。在实 际工程项目中，有时测区很大，航摄架次多，持续时间长， 的误差，提高数据精度。 参考文献： ［ＩＤ：００１９７９］ ［１］ 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． 视准轴误差会发生变化，之前获取的检校参数可能不适应 于全部航线。因此，对于个别航线需要充分利用航带重叠 区域信息，根据检校方法再次进行航带间匹配。另外也需 ［２］ 王师，周晓翠，陆小艺．浅析机载激光雷达测量误差及数据质量 控制［Ｊ］．红水河，２０１１，３０（５）：１５６—１５９，１６３． ［３］黄先锋，李卉，江万寿，等．机载激光扫描数据误差分析与精度 改善研究进展［Ｊ］．遥感信息，２００７，２２（３）：９１—９５． 要充分利用地面控制点的信息，以降低机载激光雷达数据 ・２】６・
