车载激光点云数据精度分析方法

图3 贴有标识点的墙面激光点云图像
5 数据精度分析
以全站仪测得的标识点准确坐标为基准， 将车载激光扫描仪得到的标识点坐标与其 进行比较，分别求出三个坐标轴方向上坐 标值之差见表1。 在进行精度分析时通常选取较多的标识点 进行列表比较分析。建议标识点的数量大 于30个，因篇幅的限制在此只列出了12个 点的坐标。
i 1 n
（1）
5 数据精度分析
得到平均东误差、平均北误差、平均高误 差分别为：0.025333m、0.347917m、 0.017833m。可以看出北方向的误差较大 是0.347917m，而且从表1中看出在北方向 上激光扫描仪获取坐标值都大于准确值。 因为在扫描实验时，车行方向是南北方向， 北方向出现较大误差主要是由于激光扫描 仪和GPS之间时间配准的原因。
1.2 车载激光扫描系统工作原理
车载激光扫描系统是由多个传感器组成的， 激光扫描仪在垂直于行驶方向作二维扫描, 以汽车行驶方向作为运动维,构成三维扫描 系统。所获得的数据是由离散的矢量点构 成的“点云”。
1.2 车载激光扫描系统工作原理
由POS（Position And Orientation System， 定位定向系统）系统获取的车载GPS天线 相位中心坐标和IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）获取 的翻滚、俯仰和偏航等数据联合处理，得 到激光扫描仪的6个外方位元素，利用其进 行扫描过程的几何反转，实现车载激光扫 描系统直接对目标定位。
6 新型标识点设计
采用两根垂直交叉的金属条（宽度约为2cm， 长约为80cm），将金属条的交点固定在原 来的标识点上，固定时注意保持两根金属 条不是水平和竖直的状态，以保证两根金 属条都能被激光扫描仪扫描到。
6 新型标识点设计
这种标识点距离墙面14cm，标识点所占的 空间范围是80cm×80cm×14cm。在两根 金属条的交叉点处贴上3cm×3cm的激光反 射片，以便于全站仪量测交叉点的坐标。 这种新型标识点的形状如图2(c)所示。
4 车载激光点云的获取
将车载激光扫描系统在实验场扫描得到的 组合导航数据和激光原始数据进行后处理， 得到激光点云三维坐标值。将其导入到 Pointools view软件中进行显示，从点云图 中对标识点进行识别，并拾取标识点的关 键点坐标。图3是贴有标识点的墙面激光点 云图像，从图中可以识别出有微小突起的 点云就是标识点的点云图像。
获得的坐标用（E,N,H）表示，其中E代表 东方向坐标值，N代表北方向坐标值，H代 表高程值。该三维坐标值采用的也是高斯 克吕格三度带投影坐标系下的坐标值，椭 球体参照WGS-84椭球体。 也可以选择在点云数据中容易识别的建筑 物房角等来作为标识点。可以事先用GPS 和全站仪测得房角的坐标作为永久标识点。
0.016 0.035
0.001 0.009 -0.003 -0.017 0.061 -0.007 -0.035 -0.007 -0.018
5 数据精度分析
利用公式（1）将每个坐标轴方向上的误差 求绝对值后再求和，然后除以总的标识点 个数即得到该坐标轴方向上的平均误差。
ERROR (| errori | / n)
440253.71 440253.66
440253.68 440253.69 440253.71 440253.73 440253.67 440253.74 440253.74 440253.74 440253.75
4422036.85 4422037.52
4422038.78 4422039.72 4422040.47 4422040.46 4422041.17 4422041.1 4422041.57 4422043.12 4422043.75
表1 三个坐标轴上标识点坐标的比较
编号
1
E
440253.718
N
4422036.535
H
47.945
X
440253.7
Y
4422036.9
Z
47.95
东误差
-0.018
北误差
0.365
高误差
0.005
2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12
440253.711 440253.72
440253.715 440253.718 440253.719 440253.719 440253.718 440253.716 440253.717 440253.72 440253.723
图2 铝制标识点及其布设
3.3坐标的量测
利用GPS和全站仪对实验场标识点坐标进 行测量。首先得到全站仪在大地坐标系中 的坐标值，再得到墙上标识点在全站仪坐 标系中的坐标值，然后将全站仪数据和 GPS数据进行融合，获得实验场标识点大 地坐标，用来作为对车载获取数据进行校 正的依据。
3.3坐标的量测
1.1 车载激光扫描系统的误差
然而，它在快速采集目标数据的同时，也 存在各种误差，如：时间同步配准误差、 扫描仪安装位置误差、系统重叠误差、扫 描中心误差、视准轴误差、深度值误差等。 这些误差都会对激光点云数据结果的精度 造成影响。对激光点云数据的精度进行分 析有助于判断误差的来源，从而有针对性 的降低误差，达到提高激光定位精度的目 的。本文以车载激光扫描系统为例，采用 立体标识点方法对车载激光点云数据的精 度进行分析研究。
6 新型标识点设计
利用车载激光扫描两根交叉的金属条，在 每根金属条上拾取两个激光点并连成直线， 求出两条直线的交点即为激光扫描仪获取 的较准确的标识点坐标。这就克服了原标 识点扫描面的不精确性和人工拾取的误差。 然后利用GPS 和全站仪测量两个金属条交 叉点的准确坐标，求其与激光扫描仪得到 的坐标差的绝对值就是车载激光数据的误 差。
车载激光点云数据精度分析 方法
1 车载激光扫描系统
当前，LiDAR (Light Detection And Ranging, 激光雷达)技术是测绘领域的一个 重要研究热点。激光雷达扫描系统主要由 激光扫描仪和GPS/INS（Inertial Navigation System，惯性导航系统）组合 导航系统组成,它能快速便捷地获取目标物 的空间三维信息。按照其搭载的平台可以 将激光雷达系统分为星载、机载、车载以 及定点测量等四大类。
3 标识点准确坐标的量测
精度分析的思路： 将激光扫描仪获取的标识点三维坐标值与 全站仪量测的标识点准确三维坐标值进行 比较分析，从而得到车载激光点云数据的 精度状况。
3.1实验场的选址
在室外选取一个视野开阔的区域作为实验 场，周围没有高大的建筑物和树木遮挡天 空，保证能够较好的接受GPS信号。实验 场区域内要有一个稳定坚固的竖直墙面， 用来布设标识点。墙面最好要求平整，以 便于识别激光点云中的标识点。边缘有矮 房的操场、楼前有广场的区域等都可以作 为实验场。图1是本研究选取的实验场。
图1 实验场状况图
3.2 标识点的布设
在实验场的墙面上均匀布设立体标识点， 按照横行和竖行整齐布设，以便于标识点 的编号和识别，如图2（a）。标识点的形 状如图2(b)所示，它由一个直径为8cm的铝 制金属圆盘和一个用于固定的连接短杆构 成。圆盘面距墙面距离为7cm，标识点所占 的空间范围是8cm×8cm×7cm。在盘面的 中心贴上3cm×3cm的激光反射片，以便于 全站仪量测。
47.22 47.96
45.63 45.62 47.12 46.44 47.21 46.41 45.59 45.66 46.49
-0.001 -0.06
-0.035 -0.028 -0.009 0.011 -0.048 0.024 0.023 0.02 0.027
0.318 0.377
0.29 0.328 0.365 0.356 0.42 0.365 0.344 0.324 0.323
4422036.532 4422037.143
4422038.49 4422039.392 4422040.105 4422040.104 4422040.75 4422040.735 4422041.226 4422042.796 4422043.427
47.204 47.925
45.629 45.611 47.123 46.457 47.149 46.417 45.625 45.667 46.508
7 结论及建议
如果是正态分布，说明误差可能是随机误 差，但也可能是研究没有发现的系统误差。 另外如果在车行方向上出现较大的常值误 差，则可能是各传感器之间时间配准的原 因，建议修正时间配准的方案。
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7 结论及建议
在对车载激光点云数据进行精度分析时， 可以布设更多的标识点。对激光扫描仪得 到的标识点坐标与全站仪测量的标识点坐 标进行作差，然后分别在三个坐标轴方向 对误差值进行统计整理，作出误差频数分 布直方图和曲线图。
7 结论及建议
观察统计图是否为正态分布，如果不是正 态分布，误差可能为系统误差，建议改正 各传感器坐标之间相互关系的旋转矩阵和 平移矩阵。确定旋转矩阵和平移矩阵的方 法有正向测量推求法和反向方程解算法。