试验设备为国产LiDAR设备LC-3500(图5), 为了综合使用飞行向与扫描向的点云, 预先设计好飞行在试验场的相对飞行高度为500~600 m, 激光发射频率130 kHz, 电机转速1 000 r· min^-1, 飞行速度100~130 km· h^-1, 设飞行向点云间隔为D₁, 单位为m, 根据点云间距计算公式:

D₁= v4γ。

其中, v为飞行器前进速度(m· s^-1), γ 为电机转速(转· s^-1)。

图5

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	图5 国产LiDAR设备LC-3500

设扫描向点云间隔为D₂, 单位为m, 则

D₂= 2πγHf。

其中, f为激光发射频率, H为相对航高。

从表1可以看出, 飞行高度500 m、飞行速度100 km· h^-1的1组参数中, 扫描向间距与飞行向间距较为接近, 便于试验, 故采取该组参数进行飞行试验。

表1

表1

表1 激光雷达点云间隔计算 飞行高度/ m 电机转速/ (r· min-1) 发射频率/ KHz 飞行速度/ (km· h-1) 扫描向 间距/m 飞行向 间距/m 500 1 020 132 130 0.404 6 0.531 0 500 1 020 132 100 0.404 6 0.408 5 600 1 000 130 130 0.483 3 0.541 7 600 1 000 130 100 0.483 3 0.416 7

表1 激光雷达点云间隔计算

当飞行高度为500 m, 飞行速度为100 km· h^-1时, 激光点云间隔0.4~0.5 m, 按激光点云地面间隔0.5 m, 每块三角板在地面投影的长度应为3倍激光点云间隔, 即1.5 m。图6为地面靶标单块三角板在地面投影与激光点云关系示意图。

图6

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	图6 单个三角板地面投影与激光点云关系

地标单块三角板在地面投影长度1.5 m, 相向2块三角板高度在地面投影长度3.0 m, 所以靶标的平面尺寸为3.0 m× 3.0 m。考虑到激光光斑落在靶标上的能量回收, 三角板高度设计为1.8 m(图7), 则三角板与地面的夹角成30° , 既保证了激光能量的有效回收, 又兼顾靶标上的激光点云高于周围地面的激光点云, 利于靶标的识别和点云提取。同时, 为了利用点云强度将地标与周围地面区分开来, 将制作角锥形地标的木板表面涂上一层黑漆(图8)。

图7

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	图7 靶标尺寸示意图

图8

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	图8 角锥形地标

飞行试验靶标共10块, 分别布设在激光雷达2条扫描线方向(图9), 分布在扫描角度-30° ~30° 之间(设备扫描视场角为70° ), 地标的底边尽可能平行于飞行航迹且周围无树木房屋的遮挡。

图9

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	图9 靶标布设示意图

根据要求按照预先设计的参数及航线进行飞行, 用LiDAR对布设了角锥形地标的地面进行扫描, 获取目标区域的离散点云, 用于后续的数据处理。

飞行结束后, 利用GPS RTK采集每个角锥形地标的4个边角点, 并利用求均值方式计算出每个地标的中心顶点的平面坐标。目前, 由于RTK采集地面点的水平精度为厘米级, 而LiDAR点云的水平精度为分米级, 因此, 该量测方法完全可以满足水平精度检查的需求。

解求中心点按以下3个步骤进行:在TerraSolid软件内根据航线及地物找到地标所在的大致位置, 然后在软件内按强度信息显示点云, 根据点云与周围地物强度信息的不同寻找地标的准确位置; 提取地标每个面上点云的坐标; 使用MATLAB软件基于每个地标单块三角板上的点拟合平面, 并求出每个地标四个拟合平面的交点, 即地标的中心顶点。

假定利用均值方式算出的地标中心顶点为真值, 其坐标为(x_i, y_i), 利用拟合方式求出的中心顶点坐标为(x_j, y_j), 则每个点的误差为

Δ = (xi-xj)2+(yi-yj)2。

按该种方法求出每个点的水平误差, 并同时统计LiDAR点云的中误差、平均误差等参数。