CN102393524A - 机载激光雷达点云平面精度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载激光雷达点云平面精度检测装置，包括三角架、伸缩单杆、点云反射天线、圆水准气泡、天线固定器，由螺丝固定为一体。三角架的上端与伸缩单杆的下部固定，伸缩单杆的顶端通过天线固定器固定安装点云反射天线，伸缩单杆上安置圆水准气泡。点云反射天线由多根呈等角排列的天线单杆组成，天线单杆位于不同高度并与伸缩单杆垂直的平面上，所有天线单杆在水平面上的投影过同一个交点。伸缩单杆包括下部的非伸缩部分的外杆和上部的可伸缩部分的内杆，伸缩单杆的长度伸缩范围1.4米—2.5米。本发明解决了激光点云平面精度不能准确检测的问题，并使激光点云平面精度的精确检测变得比较容易。

Description

机载激光雷达点云平面精度检测装置

技术领域

本发明涉及航空测量装置，特别是涉及用于机载激光雷达平面精度检测的装置。

背景技术

机载激光雷达（LIDAR，Light Detection and Ranging）是基于激光测距技术、GPS技术、惯性导航技术、CCD技术集成的一个软硬件系统。通过机载激光雷达能够得到高精度和高密度的三维点坐标（简称，点云），经过处理后获取高精度的数字地面模型（DEM，Digital Elevation Model）。LIDAR技术可以快速获取高精度DEM，具有数据获取简单、自动化程度高、生产效率高、精度高、受天气影响小等特点。

机载激光雷达获取空间三维点坐标的过程如下：机载激光雷达通过发射激光信号进行测距；同时，与机载激光雷达集成或连接的动态GPS接收机和惯性导航系统（IMU）分别同步记录激光雷达发射器的空间位置和空间姿态；另外，地面布设的GPS基站与机载的动态GPS进行同步观测；数据获取完成后，通过地面GPS基站与动态GPS和IMU的平差计算，能够获得每一个激光点在地表上的三维坐标。从上面的过程中可以看出，机载激光雷达点云空间坐标的精度依赖于POS解算的精度、LIDAR设备检校（侧滚角、俯仰角、航片角、高程偏差）精度以及LIDAR设备固有的精度（例如：GPS时间同步精度、LIDAR扫描镜摆动角度记录精度等）等，所以，最终计算出来的点云空间坐标肯定会产生误差。一般情况下，设备生产厂商提供的平面标称精度为分米级，高程精度从厘米级到分米级，实际工程中检测精度一般都不高于标称精度。虽然能够满足大多数工程项目的需要，但对于需要更高精度点云数据的工程来说，其应用是非常困难的。其难点在于如何确定点云的平面精度，因为机载激光雷达获取的是具有空间三维坐标的点，具有离散的特性，使得对其高程精度检测比较容易，但平面精度的检测则比较困难。

机载激光雷达已经在国内外电力、水利、交通等诸多行业开始应用,也取得了良好的效果。一般情况下，只要高程精度满足要求，平面精度也能满足要求（如果平面误差较大，高程检测精度也不会太高，尤其是在地形起伏比较大的地区）。所以，目前绝大部分用户对平面精度一般不做检测，仅对高程精度进行检测。

少部分用户会对激光点云的平面精度进行检测，例如：在平坦地面设置规则明显标志（如白色油漆喷绘的矩形），利用LIDAR的灰度信息形成灰度影像，通过对明显区域拐角的实地测量，从而确定LIDAR点云的平面精度。这种方法在一定条件下会解决LIDAR点云平面精度检测问题，但其存在非常明显的弊端：

一是需要选择能够布设标志的地点，如果航摄区域位于城区或者经济比较发达的区域，飞行区域内有足够的硬质平坦地面，则可以方便布设明显标志，如果位于道路稀少（如：田野、树林、草地、沙漠等）地区，则很难在地面布设明显标志；

二是在获取数据的瞬间标志点上不能有覆盖物，如果获取数据瞬间标志上有覆盖物（如：汽车、行人、泥土等），则该标志将失去作用，这种情况在城区是非常常见的，因为标志点大多数情况下都布设在道路上；

三是利用点云拟合的标志点的精度不高，因为点云具有离散的特点，不能准确判定哪些点是边缘点，哪些点是非边缘点，只能根据灰度统计信息来判断其点的归属，根据这些点拟合出来的标志点的精度不会太高，且不同的人检测的结果也会不一致，导致检测结果不稳定。

也有用户利用既有地物进行平面精度的检测。该方法是利用落在规则建筑物边缘上的点拟合出建筑物的边，其边与边的相交点即为建筑物拐角，通过测定建筑物拐角实际坐标来确定点云的平面精度。这种方法也存在明显缺点：一是不能准确确定参与拟合建筑物边缘的点云是否为真正的建筑物边缘点，从而导致拟合的标志点与真实情况存在较大误差，其检测精度不高；二是在建筑物较少的非城区（如：乡村田地、树林、沙漠、丘陵山区等），可能无法找到合适的建筑物,甚至会导致无法实施精度检测。

发明内容

针对现有技术机载激光雷达点云平面精度无法精确检测的问题，本发明推出一种用于机载激光雷达点云平面精度精确检测装置，利用点云反射天线，使机载激光雷达获取相交同一点的多条直线上的检测点，通过对这些点的处理实现激光雷达点云平面精度的精确检测。

本发明所涉及的机载激光雷达点云平面精度检测装置包括三角架、伸缩单杆、点云反射天线、天线固定器、圆水准气泡，并固定为一体。三角架选择金属圆管制造，三角架的上端与伸缩单杆的下部固定，伸缩单杆的顶端通过天线固定器固定安装点云反射天线，伸缩单杆上安装圆水准气泡。点云反射天线由多根等角度交叉排列的天线单杆组成，天线单杆置于不同高度并垂直于伸缩单杆的平面上，点云反射天线的天线单杆在水平面上的投影过同一个交点。

伸缩单杆采用金属圆管制作,包括下部的非伸缩部分的外杆和上部的可伸缩部分的内杆，可伸缩部分内杆的下部插在非伸缩部分外杆上部的杆内。伸缩单杆的长度为1.4米—2.5米。

天线固定器为下部带有螺口的圆柱构件，伸缩单杆的顶端插入天线固定器下部的螺口内并螺纹连接，天线固定器的上部有上下排列的穿孔，穿孔内各插入一根点云反射天线的天线单杆。

根据采用的天线单杆数量及单杆间角度的不同，点云反射天线有两种结构。一种是三根天线单杆按照等角排列组成的米字型结构，这种结构的三根天线单杆在水平面上的投影线间呈60°交角，三根天线单杆的投影线过同一交点；另一种是由两根天线单杆垂直交叉组成的十字型结构，这种结构的两根天线单杆在水平面上的投影线间呈90°交角。两种结构的点云反射天线的天线单杆长度均为1.5米—2.5米。 

固定点云反射天线的天线固定器也有两种结构：一种是米字型天线固定器，用于固定米字型结构的点云反射天线；另一种是十字型天线固定器，用于固定十字型结构的点云反射天线。米字型天线固定器的上部有上下排列的三个穿孔，三个穿孔的轴线呈60°度交角，穿孔内各插入一根天线单杆。十字型天线固定器的上部有上下排列的两个穿孔，两个穿孔的轴线呈90°交角，穿孔内各插入一根天线单杆。

在利用机载激光雷达进行平面精度检测时，将本发明所述的定位装置架设在有效航飞范围内选定的明显地面点上，所选定的明显地面点能够保存一段时间，能够完成配合数据获取及后续外业测量工作。架设检测装置时，调整圆水准气泡，使伸缩单杆处于铅垂状态，并固紧螺丝，使三角架、伸缩单杆和点云反射天线相对位置不出现移动。航飞过程中，激光发射器发射的激光脉冲信号从该设备（点云反射天线、伸缩单杆、三角架）反射，接收设备将激光反射信号接收并处理，再经过数据处理后表现为具有空间三维坐标的点，对任何一条呈线性装置上的点进行分层分离处理，然后利用分离的有效激光点坐标进行线性回归分析，拟合出一条直线，而这些直线在地面上的投影，都通过同一个中心点，即地面标志点，通过对这些直线的交点进行平差处理，得到地面标志点的准确位置，从而确定激光点云的平面精度。

本发明解决了激光点云平面精度不能准确检测的问题，并使激光点云平面精度的检测变得比较容易。利用该发明装置用于检测激光点云平面精度的方法具有以下优点：

1、采用了点云反射天线，确保每条直线上获取的点一定是落在直线上的点，确保检测结果的准确性与精度；

2、点云反射天线的反射天线单杆位于不同的高度，便于区分出每一个点的具体落点，提高数据处理中线性回归分析的精度；

3、伸缩单杆、三角架均可以作为点云反射装置使用，与点云反射天线配合使用,能够尽量获取到足够多的检测数据以提高定位结果的准确性；

4、解决了在不易布设地面标志或者建筑物稀少地区无法检校平面精度的问题。

附图说明

图1是具有米字型结构点云反射天线的机载激光雷达点云平面精度检测装置结构示意图；

图2是图1中米字型天线固定器结构示意图；

图3是具有十字型结构点云反射天线的机载激光雷达点云平面精度检测装置结构示意图；

图4是图3中十字型天线固定器结构示意图。

附图中的标记说明：

1、天线单杆                 2、圆水准气泡

3、伸缩单杆                4、三角架

5、米字型天线固定器         6、十字型天线固定器

7、穿孔                     8、螺口

9、顶丝。

具体实施方式

结合附图对本发明装置的技术方案做进一步说明。图1和图3显示机载激光雷达点云平面精度检测装置的基本结构，图2和图4显示其天线固定器的结构。如图所示，本发明所涉及的机载激光雷达点云平面精度检测装置包括三角架4、伸缩单杆3、点云反射天线、天线固定器、圆水准气泡2，并固定为一体。三角架4选择金属圆管制造，三角架4的上端与伸缩单杆3的下部固定，伸缩单杆3的顶端通过天线固定器固定安装点云反射天线，点云反射天线由多根等角度交叉排列的天线单杆1组成，天线单杆1置于不同高度且垂直于伸缩单杆3的平面上。

伸缩单杆3采用金属圆管制作,包括下部的非伸缩部分的外杆和上部的可伸缩部分的内杆，可伸缩部分的内杆下部插在非伸缩部分的外杆上部内，伸缩单杆3的长度为1.4米—2.5米。三角架4的上端与伸缩单杆3的外杆固定，伸缩单杆3的内杆的顶端通过天线固定器固定安装点云反射天线，伸缩单杆3的外杆上部固定安装圆水准气泡2。

点云反射天线有两种结构：一种是米字型结构，由三根天线单杆1按照等角交叉排列组成，三根天线单杆1在水平面上的投影线间呈60°交角，三根天线单杆1的投影线过同一交点；另一种是十字型结构，由两根天线单杆1垂直交叉组成，两根天线单杆1在水平面上的投影线间呈90°交角。天线单杆1的长度为1.5米—2.5米。

天线固定器为下部带有螺口8的圆柱构件，伸缩单杆3的顶端插入天线固定器下部的螺口8内并螺纹连接。天线固定器也有两种结构：一种是米字型天线固定器5，用于固定米字型结构的点云反射天线；另一种是十字型天线固定器6，用于固定十字型结构的点云反射天线。米字型天线固定器5的上部有上下排列的三个穿孔7，三个穿孔7的轴线呈60°度交角，穿孔7内各插入一根天线单杆1。十字型天线固定器6的上部有上下排列的两个穿孔7，两个穿孔7的轴线呈90度交角，穿孔内各插入一根天线单杆1。天线固定器穿孔7的内径比天线单杆1的外径大0.1mm-0.3mm。天线固定器垂直于每个穿孔7轴线方向上各有一个顶丝9,用于固定插入穿孔7内的天线单杆1。

Claims (6)

1.一种机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：包括三角架、伸缩单杆、点云反射天线、天线固定器、圆水准气泡，并固定为一体；三角架的上端与伸缩单杆的下部固定，伸缩单杆的顶端通过天线固定器固定安装点云反射天线，伸缩单杆上安置圆水准气泡；点云反射天线由多根等角度交叉排列的天线单杆组成，天线单杆置于不同高度并垂直于伸缩单杆的平面上，所有的天线单杆在水平面上的投影过同一个交点；天线固定器为下部带有螺口的圆柱构件，伸缩单杆的顶端插入天线固定器下部的螺口内并螺纹连接，天线固定器的上部有上下排列的穿孔，穿孔内各插入一根点云反射天线的天线单杆。

2.根据权利要求1所述的机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：所述点云反射天线由三根呈60°交角的天线单杆组成，形成米字型结构，天线单杆的长度为1.5 m—2.5 m，固定米字型结构点云反射天线的天线固定器为米字型天线固定器。

3.根据权利要求2所述的机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：所述米字型天线固定器，上部有上下排列的三个穿孔，三个穿孔的轴线呈60°度交角，穿孔内各插入一根天线单杆，穿孔的内径比天线单杆的外径大0.1mm-0.3mm；在米字型天线固定器垂直于每个穿孔轴线方向上各有一个顶丝,用于固定插入穿孔内的天线单杆。

4.根据权利要求1所述的机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：所述点云反射天线由两根呈90°交角的天线单杆组成，形成十字型结构，天线单杆的长度为1.5 m—2.5 m，固定十字型结构点云反射天线的天线固定器为十字型天线固定器。

5.根据权利要求4所述的机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：所述十字型天线固定器，上部有上下排列的两个穿孔，两个穿孔的轴线呈90°交角，穿孔内各插入一根天线单杆，穿孔的内径比天线单杆的外径大0.1mm-0.3mm；在十字型天线固定器垂直于每个穿孔轴线方向上各有一个顶丝,用于固定插入穿孔内的天线单杆。

6.根据权利要求1所述的机载激光雷达点云平面精度检测装置，其特征在于：所述伸缩单杆采用金属圆管制作,包括下部的非伸缩部分的外杆和上部的可伸缩部分的内杆，可伸缩部分内杆的下部插在非伸缩部分外杆上部的杆内，伸缩单杆的长度为1.4米—2.5米。

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