Leica ALS60机载激光扫描仪检校方法浅析

Leica ALS60机载激光扫描仪检校方法浅析
刘玉萍;李鹏
【摘要】机载LiDAR（激光探测测距仪）是一款新型空间测量设备，通过在航空平台对地发射、接收激光脉冲，实现地表空间三维坐标快速、精确获取，通过机载POS数据解算，重构目标场景的3D离散化数据模型，再现地表的实时的、真实的形态特性。

因此被有些专家称为：“继GPS空间定位技术之后在测绘领域的又一项测绘技术新突破，是一种崭新的革命性的测量工具”。

由于LiDAR设备的物理特性，激光扫描仪的检校精度起着至关重要的作用，直接影响着激光点云的解算测量精度，现介绍和探讨 Leica ALS60机载激光扫描仪的相关检校方法，仅供同行参考。

【期刊名称】《测绘技术装备》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】LiDAR;点云精度;激光扫描仪检校参数;检校方法
【作者】刘玉萍;李鹏
【作者单位】河南省遥感测绘院河南郑州 450003;河南省遥感测绘院河南郑州450003
【正文语种】中文
Leica ALS60机载LiDAR主要由激光扫描仪、航空数码相机、POS单元（定位定姿惯性导航系统）及相关控制系统组成。

为了得到高精度的激光点云，需要在设备
安装在飞机平台后，进行检校场飞行，须在合适航高下，完成反向飞行和十字交叉飞行，利用所获取的激光数据和检校场野外采集的地面检测点数据，经计算分析，测定出激光扫描仪的参数配置，其检校参数可应用于快速生成测区内的标准激光点云，以下对激光扫描仪各检校参数和检校方法具体介绍。

2.1 基本检校参数
机载LiDAR激光扫描仪需检校的基本参数有：强度距离检校（IBRC）、脉冲转换频率、扫描镜角度检校。

2.1.1强度距离检校（IBRC）
反映了激光在不同反射率下的速度纠正参数，激光从高反射率表面反射速度快，因此测得的高程会高于实际的高程。

激光从低反射率表面反射速度慢，因此测得的高程会低于实际的高程。

IBRC表（图1所示），包含了激光对于反射强度从0-255每一个级别的距离纠正值。

该参数在设备出厂时被精确标定，使用时指定相关IBRC文件即可。

2.1.2脉冲转换频率（TPR Offset）：
Leica ALS60机载LiDAR的激光扫描器所发射的激光使用两种不同的脉冲宽度，分别是SPia脉冲，宽度为 9 ns (20 - 49.9 kHz) 、 4 ns (50 - 150 kHz)和MPia 脉冲，宽度 9 ns (20 - 99.9 kHz) 、4 ns (100 - 150 kHz)。

因为9ns的脉冲宽度比4ns的脉冲宽度的激光在相同时间内传播距离稍远，所以脉冲转换频率是一种基于以上这种现象的距离改正值，用4ns脉冲宽度的距离减去9ns脉冲宽度的距离，它一般是一个负数，表示低于TPR的激光传播更远。

脉冲宽度的转换频率为SPia脉冲等于50 kHz ，MPia 脉冲等于100 kHz。

应用时要针对飞行时激光的脉冲状态，对应使用正确的脉冲转换频率。

2.1.3扫描镜角度检校（Scan Angle Correct）
激光扫描镜编码器底点的位置与实际的底点位置一般不严格相同，有一个偏角，这
个误差是由于设备装配时造成的，扫描镜角度值改正是实际底点中心在扫描镜上的位置编码值，利用这个值可以修正扫描镜偏角误差值。

2.2 常规检校参数
激光扫描仪的常规检校参数主要包括视准轴检校（Roll Pitch Heading）和距离检校（Range Offset）。

2.2.1视准轴检校（Roll Pitch Heading）
Roll视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在X轴方向上的偏差，单位是弧度。

任何扫描镜编码器的误差也包含在Roll误差中。

如果扫描仪的电缆一端指向飞机
前部（正向安装），则Roll在正方向的转动使得数据顺时针偏转。

如果扫描仪的
电缆一端指向飞机后部（反向安装），则Roll在正方向的转动使得数据逆时针偏转。

Roll的误差使得激光数据在航线条带的一侧上升，另一侧下降；Pitch视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在Y轴方向上的偏差，单位是弧度。

如果扫描仪电缆一端朝向飞机前部（正向安装），则Y轴的正方向为飞机的右机翼方向。

此时，pitch正方向转动导致数据向前偏移。

如果扫描仪电缆一端朝向飞机后部（反向安装），则Y轴的正方向为飞机的左机翼方向。

此时，pitch负方向转动导致数据向前偏移。

Pitch误差使得数据沿航线方向前后移动。

Pitch误差在平地上
表现不明显； Heading视准轴偏差定义了IMU和激光发射器之间在Z轴方向上
的偏差，单位是弧度。

无论激光仪的电缆一端朝向飞机的前段或后端，Z轴的正方向永远指向地面。

Heading 的正向旋转使数据向左（正向安装）或向右（反向安装）偏移。

Heading 的负向旋转使数据向右（正向安装）或向左（反向安装）偏移。

在航线条带中部没有heading的误差影响。

Heading误差在平面地物上表现不明显。

2.2.2距离检校（Range Offset）
Range 检校纠正值可以补偿激光扫描仪中电子器件延迟所产生的误差。

这个误差
一般是一个常数。

ALS60系统可以对每次发射的脉冲记录4次回波。

在MPia 脉
冲模式下，系统在激光控制器中的BankA和BankB之间交替记录回波数据。

第
一束脉冲由BankA记录四次回波，第二束脉冲由BankB记录四次回波，对于完
全检校，8个距离检校纠正值均需要被测定。

2.3 高级检校参数
Leica ALS60机载LiDAR的激光扫描仪高级检校参数主要用以补偿完善常规检校
的缺陷，主要分为：扭转检校(Torsion )、Pitch倾斜误差（Pitch Error Slope）、高程偏移（Elevation Offset）。

2.3.1扭转检校(Torsion )：
扫描镜旋转轴的弹性和机械性能会使在扫描条带的边缘，扫描镜在最大加速度时，其实际的镜面位置与编码器计算的位置有细微的差别，扭转差值将会产生激光条带发生凸凹弯曲效应，在扫描条带中心，没有扭转误差，因为此时加速度为0。

2.3.2 Pitch倾斜误差（Pitch Error Slope）
其误差值定义了在条带中心和边缘的pitch值的差值。

由于扫描镜在高速旋转时不是严格意义上的平面。

因此，扫描线不会十分直，会有轻微的弯曲。

2.3.3高程偏移（Elevation Offset）
该值代表了激光点测量高程与地面实际高程之间的偏差。

主要来自以下几个方面：IMU与激光发射器的垂直偏差、GPS偏心分量垂直偏差、导航数据的垂直偏差。

高程偏移与距离校正不同，高程偏移是将所有航带数据以一个常量进行高程上移动。

正值代表向上移动，负值代表向下移动。

高程偏移不是一个定值，它根据不同的飞行架次和实地情况来灵活定义。

一般来说，高程偏移是客观存在的，因为不同的飞行测区总有一些与检校场区域不同的特征。

在激光扫描仪的各项检校参数中，基本检校参数在设备出厂时均已被厂家安装检校飞行后精确标定，用户只需正确指定参数即可完成配置，一般不需要改变相应参数。

常规检校和高级检校参数则是用户必须严格准确测定的，也是本文讨论的重点。

3.1 视准轴检校（Roll Pitch Heading）检校方法：
Roll角的影响是造成条带沿飞行方向旋转，其检校方法是利用检校场反向对飞的
两条重叠激光点云，选择一块横跨航带的平地区域，如：平坦的大路，测量两条带横截面区域宽度和分离差值，通过分离值除以宽度得到的值来纠正Roll角误差，Pitch角的影响是造成条带沿飞行方向前后位移，因此为了测量其值，要在检校场反向对飞的两条重叠激光数据上，沿飞行方向寻找尖顶的房子或坡面，量测两条带尖顶房的分离值和飞行高度，用分离值除以2再除以飞行高度得到pitch误差值；Heading角的误差会使激光条带沿扫描线旋偏，这时需选取十字飞行的两个条带，在其中一条的中心位置和另一条的边缘重叠区内，寻找尖顶房或坡面，量测平均分离值和到条带中心的距离。

heading误差等于分离值除以到中心底点距离值。

上
述的三个角度测量需多次调试，每次更新测量值后，需重新生成条带点云数据检查，直至把视准轴误差消除后方可进入下一步检校。

3.2 距离检校（Range Offset）检校方法
距离误差来自激光控制器中8个记录回波的电子器件Bank的延迟，这8个值分
别标定为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4,为了准确测定这8个距离检校纠正值，需要选取检校场飞行中高低空十字对飞条带数据和开机关机测试数据BIT mode。

第一步使用Leica ALSPP Range Card Cal Utility软件，加载所有条带数据，将A1设定为0，计算其余7个距离检校初始值；第二步，将8个初始值代入生成检校场条带点云数据（激光扫描角要限定在+7°至-7°），限定角度的原因是
为了得到准确的延迟值，检校场布设有大量的地面高程检测点，其中以中心路为主有一条大路控制点（需要布设在平地上，避免高反射或低反射地物，或突兀的地物），使用RTK每5米采集一个点，RTK精度可以达到5㎝，覆盖范围需超过高航高的航带宽度，控制点布设为一条直线，限定在7度以内就是为了使用该大路
上已知的控制点检测第一回波A1的标准距离偏差值；第三步，在TerraScan软件中加载全部激光LAS数据，使用Output Control Report工具调入地面检测点计算Average dz = 标准距离偏差＝A1；第四步，重新进行第一步，不过这次要把
刚计算的Average dz值赋给A1，计算其余7个距离检校值，这时就得到了最终的8个检校值；第五步，把检校值代入生成检校场条带点云数据（正常扫描角度，一般为45°）；第六步，在TerraScan软件中检测最终精度，这时参与的已知检
测点还要包括均匀分布在十字对飞条带内的多余高程点，当Output Control Report工具中Average dz 趋近于0时，则认为精度复合要求。

3.3 扭转检校(Torsion )检校方法
在平坦地面建立一条地面控制点。

选择垂直于地面控制点的航线数据。

先将Torsion值设为0，并裁剪数据范围-20度到-50度（条带边缘），运行TerraScan中Output control report ，用地面控制点作为已知点，记录Average dz值，查询Torsion值表（图2所示），如果dz为负值，则Torsion
为正值。

如果dz为正值，则Torsion为负值。

注意torsion是双曲线函数，不能线性内插。

3.4 Pitch倾斜误差（Pitch Error Slope）检校方法
选择一对飞行方向相反的航线数据。

该数据在条带边缘具有尖顶房等倾斜物体。

选择该区域尖顶房断面测量分离值、距离底点的FOV扫描角度和飞行高度，则
pitch error slope改正值＝分离值/2/飞行高度/距离底点的FOV扫描角度。

3.5 高程偏移（Elevation Offset）检校方法
该值需要在测区实测少量地面高程点来检测，用以消除系统差值，提升最终数据精度，要在数据后期生产时改正。

由于机载LiDAR的高技术集成性，激光点云精度的保证依赖于飞行过程中全球定
位系统和惯性导航系统的精确记录和激光扫描仪配置参数的人工检校工作。

遵循科
学的检校方法，测定激光扫描仪各个检校参数，可使解算出的激光点云精度到达厘米级，精确复原真实的大地空间三维信息，制作出优质的DSM（数字表面模型）、DEM（数字高程模型）等地理信息产品。

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