面向航带平差的机载LiDAR系统误差处理方法研究

【摘要】：作为一种全新的数据获取手段,机载激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)系统的精度一直是各方关注的焦点。能否将其成果作为基础测绘产品直接应用,这是开展机载LiDAR大规模工程化应用必须面对的问题。系统误差是影响机载LiDAR系统精度的主要因素,如何消除或削弱系统误差影响,提高空间数据获取精度是机载LiDAR数据处理领域的研究热点和技术前沿,具有重要理论意义和工程实用价值。本文系统地归纳总结了机载LiDAR系统数据处理的相关理论,重点研究机载LiDAR数据中系统误差处理方法,以航带平差方法为理论核心,提出了基于航带平差的机载LiDAR系统误差处理新方法,并通过实验进行了验证,有效提高了LiDAR系统精度。全文主要研究内容如下: ①机载LiDAR数据系统误差源理论分析与估计。机载LiDAR系统集成了多个子系统,其定位精度会受到来自姿态、测距、GPS定位、系统集成等多种误差的影响。这些子系统对激光脚点的定位结果的影响一般表现为系统性的,会在不同程度上歪曲定位结果。为了获取高精度的三维地表信息,就必须研究这些误差的大小和影响规律,并采取一定的措施来减小这些误差的影响。本文从机载LiDAR系统几何定位方程出发、基于误差传播规律推导了机载LiDAR系统的综合误差计算公式,分别研究了姿态角、GPS、激光测距、扫描角等多种误差源对激光脚点定位精度的影响规律,从理论上分析了机载LiDAR系统定位精度;进而全面总结和回顾了现有的系统误差消除方法。 ②机载LiDAR航带平差理论基础。包括机载LiDAR数据的表面表达方式、对航带平差有特殊影响的典型数据特点、航带平差的基本数学模型、主要的航带平差处理工作。在此基础上提出了完整的航带平差流程,对航带平差中涉及到的关键问题进行了研究并给出了解决方案。 ③提出了基于无控制三维表面最小高程差(Least Z-Difference,LZD)和最小法向距离(Least Normal Distance,LND)两种匹配算法,有效消除机载LiDAR点云数据航带间的系统误差。实验表明:使用LND和LZD两种方式进行机载LiDAR航带平差获取的结果均可以满足工程生产的精度需求;与商业软件TerraMatch的结果相比,LZD的精度和TerraMatch的精度相当,且两种方式在TerraMatch软件平差失败时也能成功的完成航带平差任务。 ④首次将高斯-马尔柯夫模型引入到基于无控制三维表面匹配的机载LiDAR航带平差方法中。实验表明,在对高斯-马尔科夫模型进行合理的参数配置后,能够显著提高平差的精度。 ⑤将传统摄影测量中的航带法区域网平差原理扩展到机载LiDAR点云数据处理中,提出了机载LiDAR航带区域网平差方法,可有效降低逐航带平差导致的误差累积。