CN103176180A - 高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置及检验方法，包括GPS接收机支撑架、GPS接收机、检测杆边支撑架、第一激光脚点检测杆、第二激光脚点检测杆和检测杆中心支撑架，所述GPS接收机固装在GPS接收机支撑架上，所述GPS接收机支撑架上设置GPS接收机水平调节机构，所述检测杆边支撑架为多个，多个检测杆边支撑架将第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆支撑在一个水平面上，所述第一激光脚点检测杆的一端和第二激光脚点检测杆的一端交于检测杆中心支撑架上，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角≥90°。从而实现操作简单、测量误差小的优点，同时方便野外使用。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达定位领域，具体地，涉及一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置及检测方法。
背景技术
目前，激光雷达（LiDAR）系统是一种融激光测距、全球定位系统、惯性导航系统技术和高分辨率数码影像技术于一身的用于快速获取地面及地面目标三维高空间分辨率的主动式观测系统。在近十年内，机载LiDAR技术作为一种精确、快速获取地表三维信息的方法在世界发达国家已经被普遍接受，在地形监测、环境监测、三维测试建模等诸多领域有广阔的发展前景和应用需求（Ackeman F, et al， Airborne laser scanning - present status and future expectation. ISPRS JPRS, 1999(54):64-67）。
在实际工程中激光雷达系统的定位精度一般通过激光点云和数码影像融合生成的DOM或者通过从激光点云中寻找地物特征点来判断激光点云的精。前一种方法引入了生成DOM，因此存在激光点云和数码影像的配准误差和DOM影像像素大小误差，因此只能粗糙低评价激光点云的定位精度，误差在分米级别。后一种方法由于特征物的大小以及是否判断面或线是否规则、激光点云密度和激光脚点与反射点的误差等原因使得判断特征点的准确性也存在误差，这一方法中光激光点云的密度或者在实地找特征点时的任务误差都有10cm左右。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置及检测方法，以实现操作简单、测量误差小的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，包括GPS接收机支撑架、GPS接收机、检测杆边支撑架、第一激光脚点检测杆、第二激光脚点检测杆和检测杆中心支撑架，所述GPS接收机固装在GPS接收机支撑架上，所述GPS接收机支撑架上设置GPS接收机水平调节机构，所述检测杆边支撑架为多个，多个检测杆边支撑架将第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆支撑在一个水平面上，所述第一激光脚点检测杆的一端和第二激光脚点检测杆的一端交于检测杆中心支撑架上，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角≥90°。
根据本发明的优选实施例，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆通过定位销钉固定在检测杆中心支撑架上。
根据本发明的优选实施例，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角为90°。
根据本发明的优选实施例，所述GPS接收机支撑架和检测杆边支撑架的GPS接收机相位中心水平对准点处于同一垂线上。
同时本发明的技术方案还公开了一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
a、在测量区架设多架上述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置、下文中的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置简称为定位精度检测装置，每个定位精度检测装置为一个GPS静态观测点；
b、利用上述架设的定位精度检测装置采集测量区的GPS静态观测数据，并选定上述多个定位精度检测装置其中一个采集的GPS静态观测点为基准点，利用上述采集的GPS静态观测数据对已架设GPS静态观测点做平差处理，获得这些GPS静态观测点的坐标；
c、以上述获得的GPS静态观测点的坐标作为基准，分离出激光脚点检测杆检测出的激光点云数据，并按检测方式分组存放；
d、根据上述的激光点云数据求出每个GPS静态观测点的精确坐标。
根据本发明的优选实施例，上述计算GPS静态观测点的精确坐标，包括以下步骤：
选取一组激光点云数据，用直线方程Ax+By+Cz=0去拟合该组激光点云数据，并求的方程中的系数A、B、C使得方程 
的值最小，公式中di是指激光脚点到直线方程Ax+By+cZ=0的距离；
求得上述直线方程Ax+By+Cz=0在XY平面的投影直线方程ax+by=0,然后调整方程系数a和b为a1和b1，使得上述的激光点云数据在XY平面的投影点分布在直线a1x+b1y=0两边的个数基本相等；
获得同一检测点的另一组激光点云的拟合直线方程A2x+B2y+C2Z=0及其在XY平面的投影方程a2x+b2y=0；
求解方程a1x+b1y=0和方程a2x+b2y=0的交点作为该检查点的平面坐标；
该GPS静态观测点的高程坐标则通过量取检测杆边支撑架的离地高度获得；把获得的GPS静态观测点坐标中的高度坐标减去检测杆边支撑架的离地高度获取的高度差，即为GPS静态观测点的高度坐标。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案通过交叉放置的两根大细长比、高反射率第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆作为激光点云检测杆并把交叉杆的理论交点作为激光雷达定位精度检查点，在飞行器搭载激光雷达完成项目数据采集后，根据架设的两根交叉杆测得的两组激光点云，利用最小二乘法分别拟合出这两组激光点云的两个直线方程，然后求出这两条直线在水平面的投影直线方程并求得这两个投影直线交点的坐标作为激光雷达定位精度检查点的平面坐标，而激光雷达定位精度检查点的高度坐标则通过量取中心支撑架的高度和检测杆的半径获得；然后通过比较放置在中心支撑架正上方的同步观测GPS基站坐标和激光雷达定位精度检查点坐标的误差获得该点的激光雷达定位精度。从而实现操作简单、测量误差小的优点，同时方便野外使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置的结构示意图；
图2为图1所示的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置中C处的放大图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
1-GPS接收机支撑架；2-GPS接收机水平调节机构；3- GPS接收机；4 、7、11、12-检测杆边支撑架；5- 第一激光脚点检测杆；6 -检测杆中心支撑架；8 -定位销钉；9- GPS接收机相位中心水平对准点；10-第二激光脚点检测杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，包括GPS接收机支撑架、GPS接收机、检测杆边支撑架、第一激光脚点检测杆、第二激光脚点检测杆和检测杆中心支撑架， GPS接收机固装在GPS接收机支撑架上， GPS接收机支撑架上设置GPS接收机水平调节机构，检测杆边支撑架为4个，也可根据环境增减，4个检测杆边支撑架将第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆支撑在一个水平面上，第一激光脚点检测杆的一端和第二激光脚点检测杆的一端交于检测杆中心支撑架上，第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角≥90°，该处设置为90°，
其中，第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆通过定位销钉固定在检测杆中心支撑架上。GPS接收机支撑架和检测杆边支撑架的GPS接收机相位中心水平对准点处于同一垂线上。
一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
a、在测量区架设多架上述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置、下文中的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置简称为定位精度检测装置，每个定位精度检测装置为一个GPS静态观测点；
b、利用上述架设的定位精度检测装置采集测量区的GPS静态观测数据，并选定上述多个定位精度检测装置其中一个采集的GPS静态观测点为基准点，利用上述采集的GPS静态观测数据对已架设GPS静态观测点做平差处理，获得这些GPS静态观测点的坐标；
c、以上述获得的GPS静态观测点的坐标作为基准，分离出激光脚点检测杆检测出的激光点云数据，并按检测方式分组存放；
d、根据上述的激光点云数据求出每个GPS静态观测点的精确坐标。
其中，计算GPS静态观测点的精确坐标，包括以下步骤：
选取一组激光点云数据，用直线方程Ax+By+Cz=0去拟合该组激光点云数据，并求的方程中的系数A、B、C使得方程 
的值最小，公式中di是指激光脚点到直线方程Ax+By+cZ=0的距离；
求得上述直线方程Ax+By+Cz=0在XY平面的投影直线方程ax+by=0,然后调整方程系数a和b为a1和b1，使得上述的激光点云数据在XY平面的投影点分布在直线a1x+b1y=0两边的个数基本相等；
获得同一检测点的另一组激光点云的拟合直线方程A2x+B2y+C2Z=0及其在XY平面的投影方程a2x+b2y=0；
求解方程a1x+b1y=0和方程a2x+b2y=0的交点作为该检查点的平面坐标；
该GPS静态观测点的高程坐标则通过量取检测杆边支撑架的离地高度获得；把获得的GPS静态观测点坐标中的高度坐标减去检测杆边支撑架的离地高度获取的高度差，即为GPS静态观测点的高度坐标。
其具体安装和测量过程如下：
1．先在测区找一些列较平坦的开阔地面（为了以后RTK或者GPS基站同步观察数据质量良好，最好选择GPS接受信号良好的地面）；
2．把检测杆边支撑架4、检测杆中心支撑架6、检测杆边支撑架7、检测杆边支撑架11和检测杆边支撑架12根据检测杆的长度稳定地架设在地面上，并且使检测杆边支撑架4、检测杆中心支撑架6、检测杆边支撑架7、形成一条直线，、检测杆中心支撑架6、检测杆边支撑架11和检测杆边支撑架12形成另一条直线，并且保证两条直线相交并形成一较大夹角，比如90°夹角；
3．把激光脚点检测杆5放置在检测杆边支撑架4、检测杆中心支撑架6、检测杆边支撑架7；
4．把激光脚点检测杆10放置在检测杆中心支撑架6、检测杆边支撑架11和检测杆边支撑架12上；
5．用定位销钉8把激光脚点检测杆5和激光脚点检测杆10定位在检测杆中心支撑架6上；
6．把GPS接收机支撑架1架设在检测杆中心支撑架6 的上方，并使其中心孔大致对准检测杆中心支撑架6上的GPS接收机相位中心水平对准点9；
7．把GPS接收机水平调节机构2架设在GPS接收机支撑架1上，并调节GPS接收机支撑架1上的三个支腿长度和GPS接收机水平调节机构2的调节旋钮，使得GPS接收机水平调节机构2基本处于水平位置（具体调节方法参考GPS基准站相关架设方法）；
8．移动GPS接收机水平调节机构2，通过其望远镜使其中心处于检测杆中心支撑架6上的GPS接收机相位中心水平对准点9正上方，并锁紧GPS接收机水平调节机构2；
9．把GPS接收机3架设在GPS接收机水平调节机构2上，并量取GPS接收机的测高片到GPS接收机相位中心水平对准点9的距离，记为ΔH；
10．以静态观察模式启动GPS接收机接收卫星信号；
11．重复步骤2~10，完成其它检测点的检测装置的架设工作；
12．启动激光雷达系统，并让飞行平台搭载激光雷达系统完成测区的数据采集工作，顺便也完成了检测点的激光点云采集工作；
13．用已知点或者其中一个GPS静态观测点为基准点，利用已采集的GPS静态观测数据对已架设GPS静态观测点做平差处理，并获得这些检测点（或者说控制点）的坐标；
14．用步骤13获得的检测点的坐标作为基准，解算激光点云数据，并利用激光点云处理软件（比如TerreaSolid）分离出激光脚点检测杆检测出的激光点云，并按检测方式分组存放；
15．选取一组激光点云数据，用直线方程Ax+By+Cz=0去拟合该组激光点云数据，并求的方程中的系数A、B、C使得方程 
的值最小，公式中的di是指激光脚点到直线方程Ax+By+cZ=0的距离；
16．求得直线方程Ax+By+Cz=0在XY平面的投影直线方程ax+by=0,然后调整方程系数a和b为a1和b1，使得步骤15中的激光点云数据在XY平面的投影点分布在直线a1x+b1y=0两边的个数基本相等；
17．重复步骤15~16，获得同一检测点的另一组激光点云的拟合直线方程A2x+B2y+C2Z=0及其在XY平面的投影方程a2x+b2y=0；
18．求解方程a1x+b1y=0和方程a2x+b2y=0的交点作为该检查点的平面坐标，而该检查点的高程坐标则通过量取检测杆中心支撑架6的离地高度获得；
19．把步骤13获得的控制点坐标中的高程坐标减去在架设该检测装置时量取的高度差获得的坐标作为该检查点的真值；
20．计算步骤18和步骤19获得平面差值和高程差值，作为该检查点的激光点云精度值；
21．重复步骤15~20，求的得整个测区架设的所有检测装置处的激光点云精度值，并计算出这些检查点的均方根值、最大值、最小值、平均值作为该测区的激光点云精度评定指标。
在该实施方式中，如果没有足够的GPS接收机作为基站用，也可以用RTK方式通过测量检测杆中心支撑架6上的GPS接收机相位中心水平对准点9的坐标来代替该检查点的坐标真值，只是其精度略有降低。
在该实施方式中，如果把检测杆中心支撑架6上的GPS接收机相位中心水平对准点9架设在已知点的正上方，则可以用已知点的坐标作为真值，处理过程类似。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，其特征在于，包括GPS接收机支撑架、GPS接收机、检测杆边支撑架、第一激光脚点检测杆、第二激光脚点检测杆和检测杆中心支撑架，所述GPS接收机固装在GPS接收机支撑架上，所述GPS接收机支撑架上设置GPS接收机水平调节机构，所述检测杆边支撑架为多个，多个检测杆边支撑架将第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆支撑在一个水平面上，所述第一激光脚点检测杆的一端和第二激光脚点检测杆的一端交于检测杆中心支撑架上，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角≥90°。
2.根据权利要求1所述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，其特征在于，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆通过定位销钉固定在检测杆中心支撑架上。
3.根据权利要求1或2所述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，其特征在于，所述第一激光脚点检测杆和第二激光脚点检测杆间的夹角为90°。
4.根据权利要求3所述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置，其特征在于，所述GPS接收机支撑架和检测杆边支撑架的GPS接收机相位中心水平对准点处于同一垂线上。
5.一种利用权利要求1至4所述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在测量区架设多架上述的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置、下文中的高精度机载激光雷达系统的定位精度检测装置简称为定位精度检测装置，每个定位精度检测装置为一个GPS静态观测点；
b、利用上述架设的定位精度检测装置采集测量区的GPS静态观测数据，并选定上述多个定位精度检测装置其中一个采集的GPS静态观测点为基准点，利用上述采集的GPS静态观测数据对已架设GPS静态观测点做平差处理，获得这些GPS静态观测点的坐标；
c、以上述获得的GPS静态观测点的坐标作为基准，分离出激光脚点检测杆检测出的激光点云数据，并按检测方式分组存放；
d、根据上述的激光点云数据求出每个GPS静态观测点的精确坐标。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，上述计算GPS静态观测点的精确坐标，包括以下步骤：
选取一组激光点云数据，用直线方程Ax+By+Cz=0去拟合该组激光点云数据，并求的方程中的系数A、B、C使得方程 
的值最小，公式中di是指激光脚点到直线方程Ax+By+cZ=0的距离；
求得上述直线方程Ax+By+Cz=0在XY平面的投影直线方程ax+by=0,然后调整方程系数a和b为a1和b1，使得上述的激光点云数据在XY平面的投影点分布在直线a1x+b1y=0两边的个数基本相等；
获得同一检测点的另一组激光点云的拟合直线方程A2x+B2y+C2Z=0及其在XY平面的投影方程a2x+b2y=0；
求解方程a1x+b1y=0和方程a2x+b2y=0的交点作为该检查点的平面坐标；
该GPS静态观测点的高程坐标则通过量取检测杆边支撑架的离地高度获得；把获得的GPS静态观测点坐标中的高度坐标减去检测杆边支撑架的离地高度获取的高度差，即为GPS静态观测点的高度坐标。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Han Xiaoyan Inventor after: Pan Wenwu Inventor after: Hu Can Inventor after: Tang Dan Inventor after: Song Liang Inventor after: Dou Yanjuan Inventor after: Wang Xin Inventor after: Tang Hailong Inventor after: He Yanlong Inventor before: Han Xiaoyan Inventor before: Hu Can Inventor before: Ming Ziqiang Inventor before: Song Liang Inventor before: Zhou Yi |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170503 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |