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LiDAR系统参数误差对定位精度影响的仿真研究论文

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大学生创新创业训练计划项目申报表推荐学院土木与交通工程学院项目名称 LiDAR系统参数误差对定位精度影响的仿真研究项目类型■创新训练项目□创业训练项目□创业实践项目所属一级学科名称测绘科学与技术所属二级学科名称摄影测量与遥感项目负责人吕俊涛项目成员陈高文申报日期 2013年3月二○一三年三月目录1、绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.3、项目研究的目的和意义 (2)2、课题研究的方法 (2)3、实验方案及实现过程 (3)3.1实验方案 (3)3.2实验实现过程 (3)4、实验结果及分析 (4)5、总结 (5)参考文献 (5)LiDAR系统参数误差对定位精度影响的仿真研究1、绪论1.1研究背景机载激光雷达(Light Detection And Ranging，LiDAR)集成了全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)、惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)、激光测距系统(Laser Scanning Ranging)，能够快速获取地表物体三维坐标信息。

近年来，随着相关技术的进步以及社会需求的不断增加，激光扫描技术的发展更是日新月异。

它在快速三维信息获取、森林精准计测、应急快速响应、城市三维建模等方面具有巨大的优势。

毋庸置疑，机载 LiDAR 系统的出现推动了测绘及相关领域的进一步发展，当然，作为一种新的工作模式，如何充分、有效的利用其优势是一项重要的研究工作。

1.2 国内外研究现状测量技术是一门新兴技术,在地球科学和星星科学领域有着广泛的应用。

国外应用激光雷达测量技术已有很长一段时间。

美国NASA早在二十世纪一七八十年代就应用激光雷达测高技术进行了火星和月球观测;德国和荷兰从八十年代末开始研究用激光雷达测量系统提取地形信息。

之后随着GPS和INS技术的发展成熟,机载激光雷达测量技术得到蓬勃发展,并且其应用范围不断扩大。

例如FaveyE(2001)利用机载激光雷达测量系统监测冰川表面高度变化,在航高500m情况下高程精度达到0.3m[1]。

目前国内许多家研究单位和公司,例如武汉大学、中国测绘科学研究院等单位,已经引进了国外高性能的机载激光雷达测量系统。

但这种引进模式存在明显的弊端:国外限制对中国关键技术的出口,例如高精度惯导技术,并且国外商用系统价格昂贵,动辄几百万甚至千万人民币。

通过多年的引进消化吸收,国内激光雷达技术已有初步发展,并且硬件生厂技术也日益完善,因此国产激光雷达系统呼之欲出。

中国科学院光电研究院已成功研制出了具有自主知识产权的高精度轻小型LIDAR系统,适应轻小型飞行平台,在快速获取三维信息、防灾减灾、应急响应等方面具有更大的优势。

不论国际还是国内在激光雷达测量技术上都迫切需要解决两个问题:消除系统误差的影响、激光扫描测高数据的滤波和分类。

其中系统误差的存在直接影响着激光脚点坐标的精度,从而导致山激光脚点重建的地表物体发生变形。

在我国机载光电侦察和测量的技术以及在光电设备制造方面的技术和工艺起步都较晚，激光技术、红外技术以及电视技术都比较落后，目前，机载光电设备发展水平同国外的相比，有很大的差距。

九十年代初期，我国对机载光电测量设备进行研究且研制成功机载陀螺稳定系统，该系统稳定精度可达小于 1 毫弧度。

同时，我国的技术人员在红外稳定系统方面的研究，也得一定的成果，做出我国自己的红外稳定系统，该系统的精度可达到毫弧度级，同一时期在光电稳定系统方面，我国也重大进展，所研制的设备亦达到毫弧度级精度。

我国针对航空侦察所研制的飞机吊舱，性能方面算比较优异，其激光照射距离超过 10 公里，并且最长照射距离已达 20 公里。

该吊舱稳定/跟踪系统可达到 0.05 毫弧度的瞄准线稳定精度，0.4 毫弧度的瞄准线跟踪精度[2]。

由于我国激光技术、红外技术和电视技术等的相对落后，导致整个机载光电设备研制水平落后于国外发达国家，大力发展机载光电测量系统对我国而言具有十分重要的意义事情[3]。

1.3、项目研究的目的和意义机载激光雷达（LiDAR）是集全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）和激光扫描三种技术于一体的空间测量系统。

它能直接、快速的获取研究对象表面大量高精度的三维坐标点，在地形测绘、环境监测、城市建模、森林生物量统计、快速应急响应等方面有着巨大的优势。

无论哪种地形数据获取技术，精度问题始终是各方关注的焦点。

机载LiDAR在对地定位的过程中主要受到定位、定向、测距等系统误差的影响，造成定位结果不同程度歪曲，使得获取的点云数据与实际位置存在差异。

尤其在大面积、多航带任务时，相邻航带重叠区域的空间位移严重影响了航带拼接以及后续的数据处理。

因此，如何消除或减弱系统误差的影响，提高LiDAR 的定位精度是目前机载LiDAR领域面临的一个重要问题。

由于LiDAR是多传感器集成的系统，为了获取高精度的点云数据就必须研究各类系统参数误差及其对定位精度影响规律，为后期在航校正及数据处理提供依据。

因此，此项目旨在从严密的数学模型出发，基于仿真模拟实验分析各类系统误差的特性以及在定位过程中各类系统参数的误差对定位精度的影响。

由于基于实际飞行数据的研究成本相当高，且耗费精力，若能事先从理论模型得出各类系统误差对精度的预期影响，将为实际生产中的误差分析及数据处理提供理论依据及决策支持。

此外，在确定各类系统参数误差和定位精度相互关系的基础上，利于用户判定点云数据中系统误差的来源，并具有针对性的为后期校正提供参考，极大的提高了点云数据的精度和可用性。

2、课题研究的方法由于机载LiDAR是多传感器系统，系统参数繁多且对定位精度影响各异。

本课题采取的研究方法是：采取单独研究GPS的安置系统参数误差对云点定位精度的影响，假设其他系统参数误差为零的理想研究模式。

在课题的研究中先用Matlab软件模拟出实际机载LiDAR飞行轨迹和点云数据，然后再坐标反算出各个云点的距离和航向角；接着利用反求的各个云点的距离和航向角求取实际的地面激光云点坐标，并且通过加入不同的GPS的安置系统参数误差，观测得到的不同地面激光云点坐标，总结规律，分析GPS的安置系统参数误差对激光云点定位精度的影响。

其中，整个研究过程主要利用以下公式（1）来计算云点坐标的，公式（1）如下:[][])1(△Z △Y △X **LG LG LG ⎥⎥⎥⎦⎤⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡L M N W GPS GPS GPS R R R R Z Y X Z Y X3、实验方案及实现过程3.1实验方案 1）首先模拟出一个飞机的位置，坐标为（Xgps,Ygps,Zgps ），它的坐标的误差为矩阵[Xlg;Ylg;Zlg]；2）模拟出地面上的云点在一条线上，第一个脚点为（0,0,10），以每X 轴加50米添加一个地面云点，利用for 语句共赋予100个地面云点；同时给出航高HG ；3）通过坐标反算的方法反算出飞机的位置到地面各个云点的距离S(i)和航向角Q(i)； 4）将反算出来的距离S(i)和航向角Q(i)代入的公式（1）地面坐标的计算公式，可求出激光脚点在WGS 一84系下的坐标，在这其中，Rm 和Rw 都被认为是没有误差的，所以Rm=eye(3,3)和Rw=eye(3,3);5）先将本来的坐标误差矩阵[Xlg;Ylg;Zlg]各项都设为0，给定飞机位置坐标为Xgps=0，Ygps=0，Zgps=1000;航高为：HG=990;求得激光脚点在WGS 一84系下的坐标D(:,:,i)；6）改变坐标误差矩阵[Xlg;Ylg;Zlg]，例如：Xlg=Ylg=Zlg=10，通过试验大量的误差数据，观察随着这些误差数据的变化，对最后地面云点的坐标带来的变化，并总结出规律。

3.2实验实现过程function D%正算地面坐标公式Xgps=0;Ygps=0;Zgps=1000;Pgps=[Xgps;Ygps;Zgps];H=0;P=0;R=0;Rh=[cos(H),-sin(H),0;sin(H),cos(H),0;0,0,1];Rp=[cos(P),0,sin(P);0,1,0;-sin(P),0,cos(P)];Rr=[1,0,0;0,cos(R),-sin(R);0,sin(R),cos(R)];Rn=Rh*Rp*Rr;Xlg=0;Ylg=0;Zlg=0;tLG=[Xlg;Ylg;Zlg];%----------------------------%坐标反算距离与扫描角HG=990;Y=0;Z=10;X(1)=0;for i = 2:100;X(i)=X(i-1)+50;endfor i= 1:100;S(i)=((Xgps-X(i))^2+(Ygps-Y)^2+(Zgps-Z)^2)^0.5;Q(i)=acos(HG/S(i));end%----------------------------%'观测值代入正算公式，求地面坐标Rm=eye(3,3);Rw=eye(3,3);for i=1:100PY(:,:,i)=[X(i);Y;Z];L(:,:,i)=[0;0;S(i)];Rl(:,:,i)=[0,cos(Q(i)),sin(Q(i));1,0,0;0,sin(Q(i)),-cos(Q(i))];D(:,:,i)=Pgps+Rw*Rn*(Rm*Rl(:,:,i)*L(:,:,i)+tLG);C(:,:,i)=PY(:,:,i)-D(:,:,i)end4、实验结果及分析任意设定以下已知数据：Xgps=0 Ygps=0 Zgps=1000X=0 Y=0 Z=10 HG=990则地面云点(X,Y,Z)随Xlg ,Ylg, Zlg变化的规律如下：（1）当只加入GPS安置误差中 X轴坐标误差时，对应激光云点的坐标变化情况：X,Y,Z位置误差对应云点坐标变化Xlg Ylg Zlg X Y Z0 0 0 0 0 1010 0 0 10 0 1020 0 0 20 0 1030 0 0 30 0 10（2）当只加入GPS安置误差中 Y轴坐标误差时，对应激光云点的坐标变化情况：X,Y,Z位置误差对应云点坐标变化Xlg Ylg Zlg X Y Z0 0 0 0 0 100 10 0 0 10 100 20 0 0 20 100 30 0 0 30 10（3）当只加入GPS 安置误差中 Z 轴坐标误差时，对应激光云点的坐标变化情况：X,Y,Z 位置误差 对应云点坐标变化Xlg Ylg Zlg X Y Z0 0 0 0 0 100 0 10 0 0 200 0 20 0 0 300 0 30 0 0 40（4）当同时加入X,Y,Z 轴坐标GPS 安置误差时，对应激光云点的坐标变化情况：X,Y,Z 位置误差 对应云点坐标变化Xlg Ylg Zlg X Y Z0 0 0 0 0 1010 10 10 10 10 2020 20 20 20 20 3030 30 30 30 30 40综合分析以上4个表，我们可以很清楚地得出：GPS 的坐标误差矩阵[Xlg;Ylg;Zlg]增加多少，对最后的云点坐标就会同样增加相同的误差矩阵[Xlg;Ylg;Zlg]，即：[X;Y;Z]加误差= [X;Y;Z]没加误差+ [Xlg;Ylg;Zlg]。

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LiDAR 点的精度检验

LiDAR 点的精度检验

LiDAR 点的精度检验欧阳平【摘要】LiDAR( Light Detection And Ranging ) is an airborne laser detection and ranging system ,using the device you can measure the three-dimensional coordinates of ground objects ,with higher-performance equipments ,it has techni-cally superiority in collecting three-dimensional geospatial informationprospects .This paper introduces the superiority of the LiDAR measurement technology and its applications ,put forward the method to check-up the precision of the laser points,take for example the Canada OPTECH ALTM3100,inspects its elevation and plane accuracy of the laser points , and put forwarda method to improve the accuracy of the laser points .%LiDAR机载激光扫描测高或激光雷达（ LiDAR）是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以量测地面物体的三维坐标，在三维地理空间信息的数据采集方面有广阔的发展前景和应用需求。

本文介绍了LiDAR测量技术的优越性及其应用，提出了LiDAR点精度的检验方法，并运用实例对加拿大OPTECH公司的ALTM3100系统的Li-DAR点的高程、平面精度进行内符合、外符合检验，并提出了提高LiDAR点精度的方法。

机载激光雷达技术概述及在地面沉降监测中的应用

机载激光雷达技术概述及在地面沉降监测中的应用

机载激光雷达技术概述及在地面沉降监测中的应用[摘要]机载激光雷达技术在变形监测等方面具有不可比拟的优势。

本文分析影响激光雷达定位的因素，给出消除系统误差的方法，并给出机载激光雷达监测地面沉降的流程。

[关键词]机载激光雷达技术定位精度消除误差地面沉降1引言机载激光雷达技术是发展迅速的一种新技术，它集多种技术于一身，已成为空间数据获取的一种重要技术手段，主要应用于快速获取地面的三维位置，进而生成数字地图、正射影像和建立地理信息库等等，是三维位置信息的测量系统。

在变形监测、数字测图等方面具有不可比拟的优势。

2机载激光雷达定位原理机载激光雷达（Lidar）技术是激光测距技术、计算机技术、高动态载体姿态测定技术和高精度GPS 定位技术融合的集中体现。

通常机载激光雷达系统主要由激光测距单元，光学机械扫描单元，差分GPS，惯性测量单元IMU和控制单元等主要部分组成。

机载激光雷达系统通过获得一系列的地面点三维坐标来测量地球表面的地形。

假设地理空间中一点O的三维坐标（X0，Y0，Z0）已知，这一已知点O可在地面，也可在空中，该点到待测定点P的矢量（模、方向余弦）可准确测出，那么待测定点的三维坐标（Xi，Yi，Zi）即可根据己知点加矢量的方法求出。

已知点（X0，Y0，Z0）由GPS提供；方向余弦由观测平台法线的俯仰角φ、侧滚角ω、航偏角k及观测方向与法线间夹角β组成的矢量矩阵算出，观测平台法线的由姿态测量装置给出；矢量的模R由激光测距仪给出。

若X0、Y0、Z0、φ、ω、k、β、R已知，那么任意待测定点Pi的三维坐标（Xi，Yi，Zi）即可求出。

待测定点Pi的三维坐标精度取决于上述八个参数的测量精度以及八个参数测量的同步精度。

3机载激光雷达定位精度分析利用机载激光雷达系统对地面进行逐点扫描，主要目的是确定这些点的坐标，包括平面位置坐标和高程，因此坐标精度是十分重要的。

影响坐标测量精度的因素很多，按误差产生的来源可分为以下四类：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。

机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用与精度分析

机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用与精度分析

机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用与精度分析摘要:机载LIDAR技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据摄取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，能够快速地摄取精确的高分辨率的数字地面模型以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态，同时配合地物的影像或红外成像结果，增强对地物的认识和识别能力，在公路测量测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。

关键词：机载LIDAR系统；公路断面测量；精度Abstract: Airborne LIDAR technology to obtain high spatial and temporal resolution of geo-spatial information provides a new technical means, so that people from the traditional single-point data ingest becomes continuous automatic data acquisition, improve accuracy and speed of observation, can intake of fast accurate and high-resolution digital terrain model of the three-dimensional coordinates of objects on the ground, and then ground to obtain a vertical structure of the object shape, in conjunction with the feature of the image or infrared imaging result, enhance the awareness and the ability to identify the feature in the Highway Surveying mapping and other areas has broad prospects for development and application requirements.Keywords: airborne LIDAR system; road cross-section measurement; accuracy一引言机载激光扫描测量技术是激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体姿态测量技术(INS)和高精度动态GPS差分定位技术迅速发展的集中体现。

LiDAR 安置误差对定位精度影响分析

LiDAR 安置误差对定位精度影响分析

LiDAR 安置误差对定位精度影响分析丁琼;吕俊涛;陈高文;詹晓彬【摘要】机载LiDAR为复杂的多传感器集成系统，系统误差是影响LiDAR定位精度的主要误差源。

本文基于LiDAR定位方程，模拟往返航飞轨迹和激光脚点数据，定量地引入安置平移和安置旋转误差，研究各个系统误差对定位精度的影响程度和规律。

实验结果表明安置平移误差对激光脚点定位精度的影响在对应方向有等量影响，而安置旋转误差对定位精度的影响在对应方向与扫描角相关。

%Airborne LiDAR is multi-sensor system.Systematic error is a main error which affects LiDAR positioning accuracy.This paper simulates flight trajectory and laser footprints based on LiDAR positio-ningequation.Boresight errors are introduced to analyze the relationship between LiDAR systematic error and positioning accuracy.Results show that lever arm biases have the same impact on the accuracy of la-ser footprint while boresight angle biases have relationship with scanning angles on the positioning accura-cy.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P115-118)【关键词】LiDAR;安置误差;定位精度【作者】丁琼;吕俊涛;陈高文;詹晓彬【作者单位】广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006;广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】P231机载LiDAR (Light Detection and Ranging) 作为一种全新的空间对地观测技术，能直接、快速地获取研究对象表面大量高精度的三维坐标点，在地形测绘、环境监测、城市建模、森林生物量统计、快速应急响应等方面有着巨大的优势.该技术与其他遥感技术相比具有主动性强、自动化程度高、受天气影响小、实时性强等特点，是近年来蓬勃发展起来的一种新型观测手段和方法，具有相当大的发展潜力[1-4]. 由于机载LiDAR集成多个子系统，其定位精度受到系统集成误差、GPS定位误差、定向、测距等各类因素的影响，导致获取的点云数据与实际位置存在差异，降低了数据精度.为了获取高精度高质量的数据，必须研究这些误差的大小和影响规律并采取措施来消除或减小系统误差.因此，如何消除或减弱系统误差的影响，提高LiDAR的定位精度是目前机载LiDAR领域面临的一个重要问题[5].由于机载LiDAR的定位原理、作业方案、数据处理等均不同于传统的摄影测量与遥感系统，使得其消除误差的方法有别于传统的处理方法.目前，已有的系统误差消除方法主要有两类：一类是基于点云数据本身的航带平差[6-9]，该方法是将点位偏差和航带变形视为各类误差源综合作用的结果，并通过平差的方法使得重叠区域航带差异最小化，来实现系统误差的消除；另一类是基于传感器校检的航带平差[10-13]，该方法主要通过测量航带重叠区域同名特征的偏移，采用严密的几何定位方程建立误差模型，根据点云偏差求解传感器物理参数值.因此，要消除系统误差，必须首先对各项系统误差本身有深刻的认识和理解.本文主要基于雷达定位方程，从理论上分析安置误差对定位精度的影响及其规律，为后期分析数据质量及数据检校提供参考.LiDAR系统是由GPS、IMU和激光扫描测距仪3个子部件组成的.其中GPS提供平台位置信息，IMU提供姿态信息，激光扫描仪提供扫描中心到地面点的距离信息.其定位原理如图1所示.定位方程[14-15]为XG=X0+.式(1)中为以GPS天线相位中心为原点的坐标系和地面坐标系之间的旋转矩阵，PG为GPS天线中心和激光发射点之间的平移量为以两坐标系之间的旋转矩阵为激光脚点相对于激光发射中心的旋转矩阵，其中α,β代表激光光束在两个方向的扫描角(对线阵扫描方式仅考虑β)，ρ为激光光束传播的距离，X0为GPS天线相位中心到地面坐标系之间的矢量，XG为激光脚点地面坐标系中的坐标.结合3个子系统获取的数据信息，就可以准确计算出每一个激光脚点的地面坐标，而大量的激光脚点聚集成激光点云(Point Clouds).传统的安置误差指由于安装工艺上的限制，惯性测量单元坐标系和激光扫描坐标系不能完全重合及不平行而导致存在微小的位置和方向偏差，进而对定位精度产生影响.本次实验研究的系统误差包括安置平移误差ΔX,ΔY,ΔZ，安置旋转角误差Δω,Δφ,Δκ.具体步骤如图2所示.首先，模拟给定的地平面和飞机轨迹，反算出系统观测值，包括每一个激光脚点的距离、扫描角、定位和定向信息.然后对研究的系统参数引入定量误差，生成带有误差的新坐标点.最后与不含误差的激光脚点进行比较，分析各个系统误差对激光脚点在3个方向上的影响及大小，并总结系统误差与地面点坐标精度之间的关系及规律.本次实验基于往返飞两条模拟航带，并提取其中一条扫描线进行分析.假定GPS坐标系和地面坐标系平行，GPS中心和laser中心为一体，即，PG为0，且公式(1)中其中，±分别对应往返飞行，引入误差后，地面点的定位方程可简化为其中，XU为带有误差的地面激光脚点坐标，X0为GPS天线相位中心到地面坐标系之间的矢量，ΔX,ΔY,ΔZ为安置平移量误差，Δω,Δφ,Δκ为安置旋转量误差，ρ为激光光束传播的距离，β为激光扫描角.引入的各项系统误差及其大小如表1所示.实验模拟500 m航高下，飞机往飞和返飞采集的两条扫描线，其扫描方向垂直于飞行方向，扫描角范围为30°.定量引入表1中所示6个系统误差后，激光脚点在X,Y,Z方向的影响如图3所示.图3中，每行的3个子图对应一误差项在X,Y,Z 3个方向上的差异，圆点线段和虚线段为往飞和返飞获取的激光脚点位置.横坐标为激光脚点沿垂直飞行方向所在的位置，原点位于飞机顶底；纵坐标为引入误差后激光脚点与原始脚点之间的差异. 从以上模拟结果可得以下结论.(1) 安置平移量ΔX的误差对激光脚点的影响仅在X方向，且误差大小与安置误差等量，往返飞误差方向相反；在Y、Z方向无影响.(2) 安置平移量ΔY的误差对激光脚点的影响在Y方向，且误差大小和安置误差等量，往返飞造成的影响相反；在X、Z方向无影响.(3) 安置平移量ΔZ的误差对激光脚点的影响在Z方向，且误差大小和安置误差等量，往返飞造成的影响相同；在X、Y方向无影响.(4) 安置旋转量仰俯角Δω的误差仅对激光脚点在Y方向产生影响，误差大小沿着扫描线方向一致，往返飞造成的影响相反；在X、Z方向无影响.(5) 安置旋转量侧滚角Δφ的误差对激光脚点在X和Z方向产生影响，在Y方向无影响，X方向误差大小沿着扫描线方向一致，而Z方向的误差随着扫描角的增加而增大，往返飞造成的影响相反.(6) 安置旋转量航偏角Δκ的误差仅对Y方向定位精度有影响，在X、Z方向无影响，Y方向定位精度随着扫描角的增加而降低，往返飞造成的影响相同.LiDAR系统误差是影响数据精度的主要误差源之一，必须对系统误差进行严格的校正以期提高LiDAR定位精度.本文基于LiDAR定位模型，模拟往返航飞数据并定量地引入安置平移和安置旋转误差，推导了各项误差对地面激光脚点精度的影响,总结了安置系统误差对定位精度的影响及其规律，进而为后期数据处理及有针对性的系统误差检校提供参考.【相关文献】[1] Ackermann F. 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