一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，該方法包括以下步驟：機(jī)載激光雷達(dá)和外置慣性測(cè)量單元的準(zhǔn)備和安裝；根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成理論模型得到兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)；計(jì)算翻滾角和俯仰角的改正值，并進(jìn)行第一次坐標(biāo)修正；分別提取兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的點(diǎn)特征；對(duì)點(diǎn)特征進(jìn)行匹配得到點(diǎn)特征匹配對(duì)；利用點(diǎn)特征匹配對(duì)建立布爾沙模型并進(jìn)行第二次坐標(biāo)修正；對(duì)修正后兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)取平均值得到經(jīng)過盲源誤差補(bǔ)償?shù)臋C(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過對(duì)兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的特征分析與處理，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式減小盲源誤差對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)定位精度的影響，從而達(dá)到提高機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度的目的。
【專利說明】一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法，尤其是涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，屬于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)載激光雷達(dá)(AirborneLight Detection And Ranging, LiDAR)是一種主動(dòng)式航空遙感對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，是九十年代初首先由西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用的一門新興技術(shù)，它集成激光測(cè)距儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測(cè)量單元(IMU)于一身。該技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時(shí)空分辨率的地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。
[0003]機(jī)載激光雷達(dá)在提取空間位置信息上具有自身的優(yōu)勢(shì)，能夠直接獲得目標(biāo)的三維坐標(biāo)，提供了傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)所缺乏的高程信息，但是機(jī)載激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)，無論是點(diǎn)云還是波形，均無重復(fù)觀測(cè)，即便是對(duì)同一個(gè)測(cè)區(qū)重復(fù)飛行，也無法保證所獲得的激光腳點(diǎn)是嚴(yán)格重疊的，因而無法利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平差技術(shù)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的誤差分析和處理。另外，機(jī)載激光雷達(dá)是一種集成測(cè)量系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)獲取精度受多種誤差源的影響，這些誤差源通常都缺乏規(guī)律性且誤差源間存在耦合，建立誤差模型時(shí)無法顧及所有因素，因而很難建立誤差模型，更不用說建立嚴(yán)格的解析模型進(jìn)行誤差改正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在本發(fā)明中，將所有限于現(xiàn)階段的研究水平、無法溯源與建模的誤差稱之為盲源誤差。本發(fā)明針對(duì)盲源誤差難以改正的問題，在于提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，達(dá)到提高機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)定位精度的目的。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所說的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法的技術(shù)方案是這樣的:
[0006]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1，在機(jī)載激光雷達(dá)的鋼板底座上架設(shè)一臺(tái)外置慣性測(cè)量單元，使用全站儀測(cè)量外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的距離和偏心角；
[0008]步驟2，利用步驟I中的機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別為機(jī)載激光雷達(dá)自身產(chǎn)生的第一機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及聯(lián)合機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距數(shù)據(jù)、外置慣性測(cè)量單元的測(cè)姿數(shù)據(jù)和步驟I中外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀的距離、偏心角，根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成理論模型得到的第二機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)；
[0009]步驟3，分別對(duì)步驟2中的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到機(jī)載激光雷達(dá)的慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的翻滾角和俯仰角的改正值、外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的翻滾角和俯仰角的改正值，然后利用對(duì)應(yīng)的翻滾角和俯仰角的改正值根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成理論模型分別對(duì)兩套激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次坐標(biāo)修正；
[0010] 步驟4，根據(jù)步驟3中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別提取兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的點(diǎn)特征；
[0011]步驟5，對(duì)步驟4中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)特征進(jìn)行匹配，得到點(diǎn)特征匹配對(duì)；
[0012]步驟6，根據(jù)步驟5中得到的點(diǎn)特征匹配對(duì)，建立兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的布爾沙(Bursa)模型，利用該模型對(duì)兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次坐標(biāo)修正；
[0013]步驟7，對(duì)步驟6得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)求平均值，得到一套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)即為經(jīng)過盲源誤差補(bǔ)償?shù)臋C(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。
[0014]如上所述的步驟3中用于計(jì)算翻滾角和俯仰角改正值的迭代計(jì)算的方法包括以下步驟:
[0015]步驟3.1，將步驟2中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為輸入，分別對(duì)這兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟3.2-3.5的處理；
[0016]步驟3.2，確定機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的航帶重疊區(qū)域；
[0017]步驟3.3，計(jì)算航帶重疊區(qū)域中水平地面間的高差A(yù)h，以及該水平地面到機(jī)載激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)過程中形成的航跡的最小平面距離r，計(jì)算翻滾角的改正值
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，在機(jī)載激光雷達(dá)的鋼板底座上架設(shè)一臺(tái)外置慣性測(cè)量單元，使用全站儀測(cè)量外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的距離和偏心角； 步驟2，利用步驟I中的機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別為機(jī)載激光雷達(dá)自身產(chǎn)生的第一機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及聯(lián)合機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距數(shù)據(jù)、外置慣性測(cè)量單元的測(cè)姿數(shù)據(jù)和步驟I中外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀的距離、偏心角，根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成理論模型得到的第二機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)； 步驟3，分別對(duì)步驟2中的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到機(jī)載激光雷達(dá)的慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的翻滾角和俯仰角的改正值、外置慣性測(cè)量單元與機(jī)載激光雷達(dá)的激光測(cè)距儀之間的翻滾角和俯仰角的改正值，然后利用對(duì)應(yīng)的翻滾角和俯仰角的改正值根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成理論模型分別對(duì)兩套激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次坐標(biāo)修正； 步驟4，根據(jù)步驟3中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別提取兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的點(diǎn)特征； 步驟5，對(duì)步驟4中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)特征進(jìn)行匹配，得到點(diǎn)特征匹配對(duì)； 步驟6，根據(jù)步驟5中得到的點(diǎn)特征匹配對(duì)，建立兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的布爾沙(Bursa)模型，利用該模型對(duì)兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次坐標(biāo)修正； 步驟7，對(duì)步驟6得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)求平均值，得到一套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)即為經(jīng)過盲源誤差補(bǔ)償?shù)臋C(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的步驟3中用于計(jì)算翻滾角和俯仰角改正值的迭代計(jì)算的方法包括以下步驟: 步驟3.1，將步驟2中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為輸入，分別對(duì)這兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟3.2-3.5的處理； 步驟3.2，確定機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的航帶重疊區(qū)域； 步驟3.3，計(jì)算航帶重疊區(qū)域中水平地面間的高差A(yù)h，以及該水平地面到機(jī)載激光雷達(dá)獲取數(shù)據(jù)過程中形成的航跡的最小平面距離r，計(jì)算翻滾角的改正值
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的步驟4中，點(diǎn)特征的提取方法為: 步驟4.1，將步驟3中得到的兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為輸入，分別對(duì)這兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行步驟4.2-4.5的處理； 步驟4.2，采用Hough變換提取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的所有平面特征，再根據(jù)平面特征間的空間拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算出所有相鄰平面特征的交線，針對(duì)每一條交線，進(jìn)行步驟4.3-4.5的處理； 步驟4.3，在交線的周圍定義一個(gè)窗口，該窗口的中心位于交線上，窗口的長(zhǎng)邊與交線平行，窗口的長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度為交線的長(zhǎng)度加上4倍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的平均間距，窗口的短邊的長(zhǎng)度為4倍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的平均間距； 步驟4.4，對(duì)于窗口內(nèi)的每一個(gè)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)，查找該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)在半徑R內(nèi)的其他機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)的最低高程值，如果該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)的高程值與此最低高程值的差值大于4米，則將該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)作為邊界點(diǎn)，否則認(rèn)定該機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)腳點(diǎn)為非邊界點(diǎn)，不參與后續(xù)處理； 步驟4.5，針對(duì)步驟4.4中的所有邊界點(diǎn)，利用K-均值聚類算法對(duì)所有邊界點(diǎn)進(jìn)行聚類，并求出聚類的中心點(diǎn)，將此中心點(diǎn)作為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的點(diǎn)特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的步驟5中，點(diǎn)特征的匹配方法包括以下步驟: 步驟5.1，將步驟4中得到的點(diǎn)特征作為輸入，令從第一機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的所有點(diǎn)特征為P，即P為第一點(diǎn)特征集，從第二機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的所有點(diǎn)特征為Q，即Q為第二點(diǎn)特征集； 步驟5.2,令Pi為第一點(diǎn)特征集P中的一點(diǎn)特征，在第二點(diǎn)特征集Q中尋找與Pi距離最近的點(diǎn)特征Qi和次近的點(diǎn)特征q」; 步驟5.3,如果點(diǎn)特征Pi^qi^qj滿足P^i | < 0.9X p^j | ,貝丨J Pi和qi就構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)特征匹配對(duì)< Pi, Qi > ； 步驟5.4，重復(fù)步驟5.2和5.3，找出所有的點(diǎn)特征匹配對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)載激光雷達(dá)盲源誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的步驟6中，利用布爾沙模型進(jìn)行機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)修正包括以下步驟: 步驟6.1,對(duì)步驟5中得到的每個(gè)點(diǎn)特征匹配對(duì)< Pi, Qi >求平均值一個(gè)點(diǎn)特征匹配對(duì)的平均值對(duì)應(yīng)為一個(gè)連接點(diǎn)特征； 步驟6.2，根據(jù)連接點(diǎn)特征、與連接點(diǎn)特征對(duì)應(yīng)的點(diǎn)特征匹配對(duì)的點(diǎn)特征、連接點(diǎn)特征的重心化坐標(biāo)建立兩個(gè)布爾沙模型； 步驟6.3，根據(jù)步驟6.2得到的兩個(gè)布爾沙模型，分別對(duì)兩套機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到兩套經(jīng)過坐標(biāo)修正的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01S7/48GK103954953SQ201410206860
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】馬洪超, 高廣, 張良, 鄒長(zhǎng)江, 程壘 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)