无人机机载激光雷达系统航带拼接方法研究刘向伟

无人机机载激光雷达系统航带拼接方法研究刘向伟

刘向伟付云龙冯元春

天津市津典工程勘测有限公司天津300222

摘要：为了减少机载激光雷达（激光雷达）系统的系统误差和随机误差引起的三维（3d）之间的空间地带偏差，提高数据精度，选择基于数据驱动的“六参数”地带的调整方法，实现无人机机载激光雷达系统的拼接。本文针对大面积更多地带INSAR（干涉合成孔径雷达）图像定位和拼接问题缺乏地面控制点，并提出了一个联合定位条INSAR成像方法。该方法在摄影测量光束调整思想的方法，并使用INSAR干扰图像上每个点高程值的选择。分析了控制点的数量，位置，重叠区域，地形起伏的影响调整精度，并给出控制点布的原则。

关键词：激光光学；激光雷达；航带平差

1前言

机载激光雷达系统集激光测距技术、计算机技术和高精度的惯性导航和高精度动态定位技术，可以直接与高密度，高精度三维（3d）空间点云，更智能和自动数据采集和处理，已在测绘领域的广泛关注。但由于激光雷达系统是由全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）和扫描仪，和复杂的多传感器集成系统的其他部分，其精度是影响常见系统内的部分。

2平差模型及平差方法

2.1数学模型

“距离－多普勒”方程组是严密的构像模型，它符合INSAR成像机理。因此，本文研究内容都是基于该模型而展开的。“距离－多普勒”方程组为：

式中，（XS0，YS0，ZS0）是飞机的起始位置；（VX，VY，VZ）是飞机的速度；（ax，aY，az）是飞机的加速度；DS0为近距点斜距；mｘ为距离向分辨率；fd为多普勒中心频率；Prf是脉冲重复频率。DSO、mx、fd、prf为已知参数。经运动补偿后，飞机的航迹是作匀速直线运动的，因此，式（3）中可以省略二次项，则待求定位参数为XS0，YS0，ZS0，VX，VY，VZ。

1.2平差方法

光束法是精度最高的区域网平差方法。本文借鉴光束法的思想，利用距离多普勒方程建立飞机位置、像点坐标、地面点坐标之间的关系。使用泰勒公式对式（1）、式（2）线性化得到误差方程：

式中，X＝（ΔXＳ０，ΔYＳ０，ΔZＳ０，ΔVＸ，ΔVＹ，ΔVＺ）T是各景影像定位参数修正值；T＝（ΔXＧ，ΔYＧ，ΔZＧ）T是各连接点地面坐标修正值；AG是与控制点有关的系数矩阵；AＴ、BＴ是与连接点有关的系数矩阵；ＬＧ是与控制点有关的常数项；ＬＴ是与连接点有关的常数项。

3平差精度影响因素分析

GCP数量，GCP的位置，带之间的重叠区域和地形因素将对调整精度有一定的影响，因此，分析多种因素的影响，飞机飞行路径设计和现场控制点测量具有指导意义。使用模拟数据分析的各种因素。实验使用3条，每条2景影像（图1）。目前，角反射器的精度可以保证在0.05m，精密连接的点匹配算法和地形有关，现在也可以实现在1个像素，DEM的精度可以保证在1m。

3.1GCP数量的影响

在航带1和航带3上布设GCP，GCP总数从6个增加到36个，280多检查点。经过多次实验，检查点平均误差如图1所示。

图1ＧＣＰ个数对平差精度的影响

从图1分析可知，航带2的误差略大于航带1与航带3的误差，这主要是因为航带2上没有，因此，精度低于其他两条航带。三条带状误差随GCP的数量的增加，和GCP改变一定的精度趋于稳定。在这个实验中，当GCP增加到12个，基本没有变化的准确性。因此，许多条调整，横向放置少量的GCP图像，可以达到更好的精度。但把特定的GCP本身的质量和准确性，数量的地带，地形和其他因素。一般来说，较低的GCP带数字的准确性，更复杂的地形，GCP的布。

3.2重叠区域范围的影响

分析图像重叠精确度的影响，飞机的飞行路径设计有指导意义。本实验采用两侧驻扎，实验以下两个条件：

（1）控制点，点，高程没有错误；控制点加入的方差（2）为0.5米高斯白噪声；连接点加入方差为0.5像素的高斯白噪声；海拔在高斯白噪声方差1米，平均误差在统计检查站，如图3所示。从图3可以看出，控制点，点没有错误，增加了重叠区域，轻轻调整精度变化，保持在0.米左右；控制点，连接错误，重叠面积的增加，精度也逐步完善。因此，飞行路径设计、控制点时，连接点精度，不需要建立一个更大程度的重叠，从而减少飞行次数。但是当控制点、连接点有误差时，可以通过增加重叠区域的范围来改善精度，但这也意味着要增加飞行次数。目前，在实际飞行中，调整精度和人力和物质资源的角度来看，在40~60%重叠设置更多的理想。

图2重叠度对平差精度的影响

3.3地形起伏的影响

高程波动会导致内部失真图像，海拔迭代和方位空变补偿可以用来消除大部分的内部失真，然后调整。有很大起伏误差的主要原因是：当地的表面海拔未知，运动补偿的基础上，参考平面的高度，在起伏较大的区域会引起运动补偿残差Δｙ，且Δｙ＝ｆ（ｈ，ΔX（t）），它与地面目标点高度ｈ及实际运动轨迹与补偿轨迹之间的残差ΔX（t）有关，ΔX（t）是随机误差。该点的高度越高，则这种随机误差就被放大得越大，最终导致地形起伏较大的地区平差精度较低。在调整之前，因此，应该首先使用高度迭代和方位空变补偿消除大部分的内部失真，然后通过梁的调整来消除系统误差的方法。

4结语

（1）ＧＣＰ数目增加到一定程度后，平差精度改善趋于平缓。

（2）对数目较少的航带进行区域网平差，采用两边布点方式能达到较好效果。对于多条航带，最优是两边加中间的布点方式

（3）GCP精度不高，增加了重叠区域，它可以提高精度调整。

（4）区域网平差不能直接删除内部变形由地形起伏引起的。迭代和轴承标高后空变内部变形补偿方法，然后对区域网络调节精度和平滑的调节精度。

参考文献：

[1]庞蕾．机载合成孔径雷达空中三角测量方法的研究［D］．青岛：山东科技大学，2006.

[2]张薇．机载双天线干涉SAR定标方法研究［D］．北京：中国科学院电子学研究所，2009.