[發(fā)明專利]驗證雙頻LiDAR探測儀的海陸一體化檢校場布設(shè)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811328824.6
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109613555B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉潤東;周國清;余萬東;范城城;劉清;呂華權(quán);趙學(xué)松;黃友菊;李彬;黎珍惜;施宇軍;李韜業(yè)
• 申請（專利權(quán)）人: 廣西壯族自治區(qū)遙感信息測繪院
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/497
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 李彥孚;李永鋒

1.一種驗證雙頻LiDAR探測儀的海陸一體化檢校場布設(shè)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1，在近海域范圍內(nèi)，采集多個區(qū)域內(nèi)的水文環(huán)境參數(shù)，包括有水色、透明度、水深、含沙量，從中選定一塊10km×2km的區(qū)域作為海域檢校場；采用耐腐蝕、反射率高的材料制作若干個靶標，在靶標中心放置應(yīng)答器，作為控制點，將靶標平均放置在海域檢校場內(nèi)不同深度的海底部；另在海底布設(shè)若干個532波段激光發(fā)射器，也在激光發(fā)射器中心放置應(yīng)答器，激光發(fā)射器能夠?qū)崟r向其它的應(yīng)答器的接收系統(tǒng)發(fā)射激光束；

步驟2，采用一艘測量船，圍繞不同水下應(yīng)答器以半徑30m的圓周測距，在圓周上每個航跡點，獲取船載換能器的GPS坐標及船載換能器到水下應(yīng)答器之間距離，并利用壓力傳感器獲得船載換能器到水下應(yīng)答器的深度；將船載換能器到水下應(yīng)答器的深度作為附加約束，采用距離交會定位原理確定每個控制點的三維坐標；完成上述測量后，借助水下控制點上應(yīng)答器，開展應(yīng)答器間相互測距，獲得控制點間的三維距離觀測值，獲得所有觀測信息后，將開展水下控制網(wǎng)點的坐標確定；

欲將海底三維自由網(wǎng)約束在絕對坐標框架內(nèi)，須為其提供一個三維絕對坐標基準及三個方位基準，即至少需要三個已知坐標的控制點；假設(shè)水下控制網(wǎng)由m個控制點組成，其中m₁個為已知控制點，m₂個為待求控制點，則觀測邊總個數(shù)為必要觀測數(shù)為3(m-m₁)，多余觀測數(shù)為

設(shè)第i條觀測邊的兩端點分別為G_i和H_i，聲波在兩端的應(yīng)答器間的單程傳播時間為t_i，由于應(yīng)答器在海底的深度近似相等，傳播過程中速度u可近似認為相等，則觀測斜距S_i＝ut_i；若兩端點應(yīng)答器的初始坐標分別為和則觀測方程為：

式中，為兩端點應(yīng)答器間幾何距離，由兩端點應(yīng)答器坐標反算得到；分別為聲速等效誤差和時延等效誤差；ε_i為隨機誤差；

由于兩端點應(yīng)答器基本處于同溫層，聲音傳播速度基本不變，可忽略，經(jīng)過外部設(shè)備改正后，觀測邊的誤差方程為

三維約束平差模型中的觀測方程總個數(shù)為C＝C₁+C₂，其中:

式中:C₁為兩端點G_i和H_i均為待求控制點的觀測邊個數(shù)，則第i條邊的觀測方程如式(1)所示；C₂為只有一端G_i為待求控制點的觀測邊個數(shù)，則根據(jù)式(1)，第i條邊的誤差方程為:

綜合上述兩端點或一端點為待求控制點的兩種情況，可建立C個誤差方程，其矩陣形式如下:

V＝BdX-l (6)

式中:B為系數(shù)矩陣；V為觀測值改正數(shù)向量，l為觀測值與反算距離的差向量；

根據(jù)V^TPV＝min，水下控制點坐標可以確定為

Q＝(B^TPB)^-1 (7)

dX＝QB^TPl (8)

X＝X⁰+dX (9)

式中：P為觀測值權(quán)陣，Q為待求點坐標的協(xié)因數(shù)陣；

多次迭代直至||dX||²小于設(shè)定限差eps，即可獲得其余應(yīng)答器的高質(zhì)量定位解；

第j個水下應(yīng)答器的內(nèi)符合精度可用下式來評估：

再采用測量船搭載多波束測深系統(tǒng)，采集布設(shè)好的海底檢校場地形數(shù)據(jù)、靶標數(shù)據(jù)以及控制點數(shù)據(jù)；并且，基于采集的靶標尺寸以及控制點數(shù)據(jù)驗證海底檢校場的地形數(shù)據(jù)，得出高精度的海底檢校場地形數(shù)據(jù)；

步驟3，同時在海域檢校場周圍選取地形地貌多變、擁有多種類的復(fù)雜地物類型的10km×4km的地區(qū)作為陸域檢校場，定制2m×2m的水泥靶標，于其中心安置測量標志作為控制點，并將若干個靶標均勻布設(shè)于陸域檢校場內(nèi)；應(yīng)用GPS靜態(tài)控制測量解算靶標控制點三維坐標，在陸域控制點進行靜態(tài)觀測以及數(shù)據(jù)處理后得到的控制點點位信息作為已知值，海域檢校場通過自由網(wǎng)獲取的控制點為初始值，進行海陸一體化聯(lián)網(wǎng)平差，解算得到海域檢校場控制點更高精度的點位信息；

設(shè)L_a、L_b分別表示陸域控制網(wǎng)相互獨立觀測值向量，V_a、V_b表示它們的改正數(shù)向量，P_a、P_b表示它們的權(quán)陣，X_a、X_b分別表示海域控制網(wǎng)內(nèi)部各點上的初始值，Y表示公共點上的未知數(shù)，則誤差方程可以表示為：

根據(jù)間接平差原理，聯(lián)合平差的法方程可以表示為：

(13)式中，

聯(lián)合平差是將(13)式進行整體解算，由該方程組的第一式和第二式得：

將(14)式代入(13)式的第三式，得到聯(lián)合平差時消去X_a和X_b后的約化方程

[N_λt]Y-[W_λt]＝0 (15)

其中，

于是Y的解為

將(17)式代回至(14)式求得海域控制網(wǎng)的內(nèi)部待定量X_a和X_b；

接著應(yīng)用無人機對檢校場范圍進行航攝，獲取高分辨率的航片，通過后處理得到該區(qū)域正射影像和高精度DEM數(shù)據(jù)；正射影像用于輔助機載LiDAR相鄰航帶重疊區(qū)同名點匹配，高精度DEM數(shù)據(jù)用于檢核陸域校正后的機載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度；

步驟4，將步驟3中所得出的海陸一體控制點坐標信息與步驟3及步驟2所測得的海陸檢校場地形數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)平差，得到更高精度的陸域以及海域地形數(shù)據(jù)并將坐標基準統(tǒng)一，以此構(gòu)建海陸一體化檢校場；

無人機搭載中小幅面數(shù)字傳感器，其成像模型與傳統(tǒng)航測面陣相機相同，即滿足共線條件方程，如式(18)所示，未知數(shù)包括遙感影像外方位元素和待定點三維坐標，共9個未知數(shù)；光束法平差是一種非線性優(yōu)化求解方法，式(18)的誤差方程形式見式(19)

式中，為外方位元素的改正向量；dS＝[ΔX ΔYΔZ]^T為待定點的坐標改正向量，A'、B'為dR、dS的系數(shù)矩陣；

光束法區(qū)域網(wǎng)平差采用最小二乘優(yōu)化求解，即根據(jù)V^TPV＝min，法方程如式(20)所示：

式中，N₁₁＝∑A_i^TP_iA_i，N₁₂＝∑A_i^TP_iB_i，N₂₁＝∑B_i^TP_iA_i，N₂₂＝∑B_i^TP_iB_i，W₁＝∑A_i^TP_il_i,W₂＝∑B_i^TP_il_i；

多波束測深系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)采用的是WGS84坐標系，高程系統(tǒng)采用的是大地高系統(tǒng)，所以要利用測區(qū)內(nèi)分布均勻的首級控制點，運用布爾沙模型計算出七參數(shù)，將激光點云從WGS84坐標系轉(zhuǎn)換到工程坐標系下：

式中：ΔX₀、ΔY₀、ΔZ₀為三個平移參數(shù)，ε_X、ε_Y、ε_Z為三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，k為尺度變化參數(shù)；

高程擬合利用沿線的首級控制點計算出其高程異常值，采用解析內(nèi)插與三次樣條函數(shù)法將點云高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高，得到工程坐標系下的點云成果，然后在對點云數(shù)據(jù)進行高精度糾正；

(1)、平面位置高精度糾正

基于沿高速公路路肩布設(shè)靶標控制點，采用分段仿射變換方法對點云平面坐標進行改正，點云平面坐標校正方法：

式中，[X Y]^T為校正后點云平面坐標，[x₀ y₀]^T為校正前點云平面坐標，a,b,c,d,dx,dy為仿射變換參數(shù)；

(2)、高程高精度糾正

為保證點云數(shù)據(jù)的高程精度，在完成點云的平面位置糾正后，就需要對點云的高程進行高精度糾正，點云高程高精度糾正采用三角網(wǎng)的方法進行，該方法要求先計算各個靶標控制點處點云高程與靶標點的高差值dz，并自動生成覆蓋點云數(shù)據(jù)的最小外接矩形，以靶標控制點和外接矩形的四個頂點構(gòu)成三角網(wǎng)，建立高程改正模型；

假設(shè)點云在三角網(wǎng)模型中三個頂點的坐標為(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，由于海底靶標控制點間距在1km以內(nèi)，距離較短，認為在每個三角形范圍內(nèi)高程異常呈線性變化，則可得：

由上式可得點云數(shù)據(jù)改正值：

式中，(x,y)為點云平面坐標，x_i,y_i，i＝1,2,3，dz_i為三角形頂點點云高程與控制點高程差值，i＝1,2,3。