專利名稱：機載激光雷達點云平面精度檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及航空測量裝置，特別是涉及用于機載激光雷達平面精度檢測的裝置。
背景技術：
機載激光雷達(LIDAR，Light Detection and Ranging)是基于激光測距技術、 GPS技術、慣性導航技術、CCD技術集成的一個軟硬件系統(tǒng)。通過機載激光雷達能夠得到高精度和高密度的三維點坐標(簡稱，點云)，經過處理后獲取高精度的數字地面模型(DEM， Digital Elevation Model)。LIDAR技術可以快速獲取高精度DEM，具有數據獲取簡單、自動化程度高、生產效率高、精度高、受天氣影響小等特點。機載激光雷達獲取空間三維點坐標的過程如下機載激光雷達通過發(fā)射激光信號進行測距；同時，與機載激光雷達集成或連接的動態(tài)GPS接收機和慣性導航系統(tǒng)(IMU)分別同步記錄激光雷達發(fā)射器的空間位置和空間姿態(tài)；另外，地面布設的GPS基站與機載的動態(tài)GPS進行同步觀測；數據獲取完成后，通過地面GPS基站與動態(tài)GPS和IMU的平差計算， 能夠獲得每一個激光點在地表上的三維坐標。從上面的過程中可以看出，機載激光雷達點云空間坐標的精度依賴于POS解算的精度、LIDAR設備檢校(側滾角、俯仰角、航片角、高程偏差)精度以及LIDAR設備固有的精度(例如GPS時間同步精度、LIDAR掃描鏡擺動角度記錄精度等)等，所以，最終計算出來的點云空間坐標肯定會產生誤差。一般情況下，設備生產廠商提供的平面標稱精度為分米級，高程精度從厘米級到分米級，實際工程中檢測精度一般都不高于標稱精度。雖然能夠滿足大多數工程項目的需要，但對于需要更高精度點云數據的工程來說，其應用是非常困難的。其難點在于如何確定點云的平面精度，因為機載激光雷達獲取的是具有空間三維坐標的點，具有離散的特性，使得對其高程精度檢測比較容易， 但平面精度的檢測則比較困難。機載激光雷達已經在國內外電力、水利、交通等諸多行業(yè)開始應用，也取得了良好的效果。一般情況下，只要高程精度滿足要求，平面精度也能滿足要求(如果平面誤差較大，高程檢測精度也不會太高，尤其是在地形起伏比較大的地區(qū))。所以，目前絕大部分用戶對平面精度一般不做檢測，僅對高程精度進行檢測。少部分用戶會對激光點云的平面精度進行檢測，例如在平坦地面設置規(guī)則明顯標志(如白色油漆噴繪的矩形)，利用LIDAR的灰度信息形成灰度影像，通過對明顯區(qū)域拐角的實地測量，從而確定LIDAR點云的平面精度。這種方法在一定條件下會解決LIDAR點云平面精度檢測問題，但其存在非常明顯的弊端
一是需要選擇能夠布設標志的地點，如果航攝區(qū)域位于城區(qū)或者經濟比較發(fā)達的區(qū)域，飛行區(qū)域內有足夠的硬質平坦地面，則可以方便布設明顯標志，如果位于道路稀少(如 田野、樹林、草地、沙漠等)地區(qū)，則很難在地面布設明顯標志；
二是在獲取數據的瞬間標志點上不能有覆蓋物，如果獲取數據瞬間標志上有覆蓋物 (如汽車、行人、泥土等)，則該標志將失去作用，這種情況在城區(qū)是非常常見的，因為標志點大多數情況下都布設在道路上；三是利用點云擬合的標志點的精度不高，因為點云具有離散的特點，不能準確判定哪些點是邊緣點，哪些點是非邊緣點，只能根據灰度統(tǒng)計信息來判斷其點的歸屬，根據這些點擬合出來的標志點的精度不會太高，且不同的人檢測的結果也會不一致，導致檢測結果不穩(wěn)定。也有用戶利用既有地物進行平面精度的檢測。該方法是利用落在規(guī)則建筑物邊緣上的點擬合出建筑物的邊，其邊與邊的相交點即為建筑物拐角，通過測定建筑物拐角實際坐標來確定點云的平面精度。這種方法也存在明顯缺點一是不能準確確定參與擬合建筑物邊緣的點云是否為真正的建筑物邊緣點，從而導致擬合的標志點與真實情況存在較大誤差，其檢測精度不高；二是在建筑物較少的非城區(qū)(如鄉(xiāng)村田地、樹林、沙漠、丘陵山區(qū)等)， 可能無法找到合適的建筑物，甚至會導致無法實施精度檢測。

發(fā)明內容
針對現有技術機載激光雷達點云平面精度無法精確檢測的問題，本發(fā)明推出一種用于機載激光雷達點云平面精度精確檢測裝置，利用點云反射天線，使機載激光雷達獲取相交同一點的多條直線上的檢測點，通過對這些點的處理實現激光雷達點云平面精度的精確檢測。本發(fā)明所涉及的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置包括三角架、伸縮單桿、點云反射天線、天線固定器、圓水準氣泡，并固定為一體。三角架選擇金屬圓管制造，三角架的上端與伸縮單桿的下部固定，伸縮單桿的頂端通過天線固定器固定安裝點云反射天線，伸縮單桿上安裝圓水準氣泡。點云反射天線由多根等角度交叉排列的天線單桿組成，天線單桿置于不同高度并垂直于伸縮單桿的平面上，點云反射天線的天線單桿在水平面上的投影過同一個交點。伸縮單桿采用金屬圓管制作，包括下部的非伸縮部分的外桿和上部的可伸縮部分的內桿，可伸縮部分內桿的下部插在非伸縮部分外桿上部的桿內。伸縮單桿的長度為1.4 米一2. 5米。天線固定器為下部帶有螺口的圓柱構件，伸縮單桿的頂端插入天線固定器下部的螺口內并螺紋連接，天線固定器的上部有上下排列的穿孔，穿孔內各插入一根點云反射天線的天線單桿。根據采用的天線單桿數量及單桿間角度的不同，點云反射天線有兩種結構。一種是三根天線單桿按照等角排列組成的米字型結構，這種結構的三根天線單桿在水平面上的投影線間呈60°交角，三根天線單桿的投影線過同一交點；另一種是由兩根天線單桿垂直交叉組成的十字型結構，這種結構的兩根天線單桿在水平面上的投影線間呈90°交角。兩種結構的點云反射天線的天線單桿長度均為1. 5米一2. 5米。固定點云反射天線的天線固定器也有兩種結構一種是米字型天線固定器，用于固定米字型結構的點云反射天線；另一種是十字型天線固定器，用于固定十字型結構的點云反射天線。米字型天線固定器的上部有上下排列的三個穿孔，三個穿孔的軸線呈60°度交角，穿孔內各插入一根天線單桿。十字型天線固定器的上部有上下排列的兩個穿孔，兩個穿孔的軸線呈90°交角，穿孔內各插入一根天線單桿。在利用機載激光雷達進行平面精度檢測時，將本發(fā)明所述的定位裝置架設在有效航飛范圍內選定的明顯地面點上，所選定的明顯地面點能夠保存一段時間，能夠完成配合數據獲取及后續(xù)外業(yè)測量工作。架設檢測裝置時，調整圓水準氣泡，使伸縮單桿處于鉛垂狀態(tài)，并固緊螺絲，使三角架、伸縮單桿和點云反射天線相對位置不出現移動。航飛過程中，激光發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖信號從該設備(點云反射天線、伸縮單桿、三角架)反射，接收設備將激光反射信號接收并處理，再經過數據處理后表現為具有空間三維坐標的點，對任何一條呈線性裝置上的點進行分層分離處理，然后利用分離的有效激光點坐標進行線性回歸分析，擬合出一條直線，而這些直線在地面上的投影，都通過同一個中心點，即地面標志點，通過對這些直線的交點進行平差處理，得到地面標志點的準確位置，從而確定激光點云的平面精度。 本發(fā)明解決了激光點云平面精度不能準確檢測的問題，并使激光點云平面精度的檢測變得比較容易。利用該發(fā)明裝置用于檢測激光點云平面精度的方法具有以下優(yōu)點
1、采用了點云反射天線，確保每條直線上獲取的點一定是落在直線上的點，確保檢測結果的準確性與精度；
2、點云反射天線的反射天線單桿位于不同的高度，便于區(qū)分出每一個點的具體落點， 提高數據處理中線性回歸分析的精度；
3、伸縮單桿、三角架均可以作為點云反射裝置使用，與點云反射天線配合使用，能夠盡量獲取到足夠多的檢測數據以提高定位結果的準確性；
4、解決了在不易布設地面標志或者建筑物稀少地區(qū)無法檢校平面精度的問題。


圖1是具有米字型結構點云反射天線的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置結構示意圖2是圖1中米字型天線固定器結構示意圖3是具有十字型結構點云反射天線的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置結構示意圖4是圖3中十字型天線固定器結構示意圖。附圖中的標記說明
1、天線單桿2、圓水準氣泡
3、伸縮單桿4、三角架
5、米字型天線固定器6、十字型天線固定器
7、穿孔8、螺口
9、頂絲。
具體實施例方式
結合附圖對本發(fā)明裝置的技術方案做進一步說明。圖1和圖3顯示機載激光雷達點云平面精度檢測裝置的基本結構，圖2和圖4顯示其天線固定器的結構。如圖所示，本發(fā)明所涉及的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置包括三角架4、伸縮單桿3、點云反射天線、天線固定器、圓水準氣泡2，并固定為一體。三角架4選擇金屬圓管制造，三角架4的上端與伸縮單桿3的下部固定，伸縮單桿3的頂端通過天線固定器固定安裝點云反射天線，點云反射天線由多根等角度交叉排列的天線單桿1組成，天線單桿1置于不同高度且垂直于伸縮單桿3的平面上。伸縮單桿3采用金屬圓管制作，包括下部的非伸縮部分的外桿和上部的可伸縮部分的內桿，可伸縮部分的內桿下部插在非伸縮部分的外桿上部內，伸縮單桿3的長度為1.4 米一2. 5米。三角架4的上端與伸縮單桿3的外桿固定，伸縮單桿3的內桿的頂端通過天線固定器固定安裝點云反射天線，伸縮單桿3的外桿上部固定安裝圓水準氣泡2。點云反射天線有兩種結構一種是米字型結構，由三根天線單桿1按照等角交叉排列組成，三根天線單桿1在水平面上的投影線間呈60°交角，三根天線單桿1的投影線過同一交點；另一種是十字型結構，由兩根天線單桿1垂直交叉組成，兩根天線單桿1在水平面上的投影線間呈90°交角。天線單桿1的長度為1.5米一2. 5米。天線固定器為下部帶有螺口 8的圓柱構件，伸縮單桿3的頂端插入天線固定器下部的螺口 8內并螺紋連接。天線固定器也有兩種結構一種是米字型天線固定器5，用于固定米字型結構的點云反射天線；另一種是十字型天線固定器6，用于固定十字型結構的點云反射天線。米字型天線固定器5的上部有上下排列的三個穿孔7，三個穿孔7的軸線呈 60°度交角，穿孔7內各插入一根天線單桿1。十字型天線固定器6的上部有上下排列的兩個穿孔7，兩個穿孔7的軸線呈90度交角，穿孔內各插入一根天線單桿1。天線固定器穿孔 7的內徑比天線單桿1的外徑大0. lmm-0. 3mm。天線固定器垂直于每個穿孔7軸線方向上各有一個頂絲9，用于固定插入穿孔7內的天線單桿1。
權利要求
1.一種機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于包括三角架、伸縮單桿、點云反射天線、天線固定器、圓水準氣泡，并固定為一體；三角架的上端與伸縮單桿的下部固定，伸縮單桿的頂端通過天線固定器固定安裝點云反射天線，伸縮單桿上安置圓水準氣泡； 點云反射天線由多根等角度交叉排列的天線單桿組成，天線單桿置于不同高度并垂直于伸縮單桿的平面上，所有的天線單桿在水平面上的投影過同一個交點；天線固定器為下部帶有螺口的圓柱構件，伸縮單桿的頂端插入天線固定器下部的螺口內并螺紋連接，天線固定器的上部有上下排列的穿孔，穿孔內各插入一根點云反射天線的天線單桿。
2.根據權利要求1所述的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于所述點云反射天線由三根呈60°交角的天線單桿組成，形成米字型結構，天線單桿的長度為1.5 m-2. 5 m,固定米字型結構點云反射天線的天線固定器為米字型天線固定器。
3.根據權利要求2所述的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于所述米字型天線固定器，上部有上下排列的三個穿孔，三個穿孔的軸線呈60°度交角，穿孔內各插入一根天線單桿，穿孔的內徑比天線單桿的外徑大0. lmm-0. 3mm ；在米字型天線固定器垂直于每個穿孔軸線方向上各有一個頂絲，用于固定插入穿孔內的天線單桿。
4.根據權利要求1所述的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于所述點云反射天線由兩根呈90°交角的天線單桿組成，形成十字型結構，天線單桿的長度為1.5 m-2. 5 m,固定十字型結構點云反射天線的天線固定器為十字型天線固定器。
5.根據權利要求4所述的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于所述十字型天線固定器，上部有上下排列的兩個穿孔，兩個穿孔的軸線呈90°交角，穿孔內各插入一根天線單桿，穿孔的內徑比天線單桿的外徑大0. lmm-0. 3mm ；在十字型天線固定器垂直于每個穿孔軸線方向上各有一個頂絲，用于固定插入穿孔內的天線單桿。
6.根據權利要求1所述的機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，其特征在于所述伸縮單桿采用金屬圓管制作，包括下部的非伸縮部分的外桿和上部的可伸縮部分的內桿，可伸縮部分內桿的下部插在非伸縮部分外桿上部的桿內，伸縮單桿的長度為1.4米一2. 5米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機載激光雷達點云平面精度檢測裝置，包括三角架、伸縮單桿、點云反射天線、圓水準氣泡、天線固定器，由螺絲固定為一體。三角架的上端與伸縮單桿的下部固定，伸縮單桿的頂端通過天線固定器固定安裝點云反射天線，伸縮單桿上安置圓水準氣泡。點云反射天線由多根呈等角排列的天線單桿組成，天線單桿位于不同高度并與伸縮單桿垂直的平面上，所有天線單桿在水平面上的投影過同一個交點。伸縮單桿包括下部的非伸縮部分的外桿和上部的可伸縮部分的內桿，伸縮單桿的長度伸縮范圍1.4米—2.5米。本發(fā)明解決了激光點云平面精度不能準確檢測的問題，并使激光點云平面精度的精確檢測變得比較容易。
文檔編號G01S17/88GK102393524SQ20111035736
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權日2011年11月11日
發(fā)明者張麗, 李平蒼, 王長進, 趙海, 韓祖杰, 高文峰 申請人:鐵道第三勘察設計院集團有限公司