摘要：近年来，随着无人机等摄影硬件平台技术的成熟，一种新型的快速遥感系统-机载LIDAR应运而生。由于系统的复杂性，点云定位精度受许多系统误差的影响。基于此，本文重点探讨了机载LIDAR点云定位误差。

关键词：机载LIDAR;点云定位误差;系统误差

一、LIDAR系统误差

1、测距误差。在激光从发射到照射地面目标再返回接收器过程中，会受到大气折射率、入射角度、地物反射率、光束发散度等因素的共同作用，导致测距精度降低。激光是一种方向性强的定向光源，尽管如此，朝向同一方向的激光光束仍有少量光束发散，传播距离越远，激光光斑越大。LIDAR系统沿激光光束的中心线记录激光光斑的中心位置，但实际中心位置尚未完全确定，也可能位于激光光斑中的任意位置，为估计最大测距误差，使用激光光斑两侧光束距离差R1～R2作为主要测距误差。机载LIDAR在实际工作中经常遇到平地、下坡面、上坡面混合的复杂地形，这种地形对测距误差的影响很难用公式直接量化。为了以数学模型形式模拟地形坡度对测距误差的影响，将地表简单划分为三种基本地形：平坦、下坡面和上坡面。此外，无论地形条件如何，x方向的位置误差均为0，y、z方向误差与航高H、大气折射率na、光束发散度和信噪比rSNR倒数正相关。难以确定的因素是地形坡度角及扫描角对点云误差的影响。假设扫描角=30°，光束发散度=0.5 mrad，大气折射率na=1，信噪比rSNR=30，当地形坡度从0°上升到90°时，平地、下坡面、上坡面下x、y、z方向位置误差为：x方向误差始终为0;在平地地形中，由于平地坡度为0，因此平地地形下y、z方向误差与地形坡度无关，表现为平行于横轴的非零直线。在下坡面地形中，y、z方向误差在坡度范围内单调增加0°≤≤60°，并在坡度范围内单调减小60°<≤90°，当坡度=60°时，y、z方向上误差无穷大，这种情况是扫描角及坡度之和为90°（即地形与激光扫描方向平行，激光束不能接触地表）所致;仅当坡度在0～23°及78～90°之间时，y方向误差小于0.1m;仅当坡度在0～12°、81～90°之间时，z方向误差才小于0.1m。在上坡面情况下，y、z方向误差在坡度范围内单调减小0°≤≤24°及0°≤≤26°，z方向误差分别在0.01～0.03m及0.01～0.05m间;y、z方向误差在坡度范围内24°<≤37°及26°<≤34为0，这种情况是由于扫描角等于地形坡度（即激光束垂直于地表，且光束发散度最小）造成的;在坡度范围内37°≤≤90°及34°≤≤90°，y、z方向误差在为0.01～0.02m及0.01～0.03m范围内变化。

假设地形坡度=30°，光束发散度=0.5mrad，大气折射率na=1，信噪比rSNR=30，当扫描角从-30°上升到30°时，平地、下坡面、上坡面地形下平面及高程误差为：x方向误差始终为0，平地地形中，当扫描角度在-30°～0°间变化时，y、z方向误差不断减小;当扫描角从0°～30°变化时，y、z方向误差会增加。一般情况下，z方向误差变化范围大于y方向;y、z方向误差在0～0.03m及0～0.05m之间变化。下坡面地形中，当瞬时扫描角在-30°～0°间变化时，y方向误差在0～0.01m间变化不大，z方向误差逐渐增大。当瞬时扫描角在0°～30°间变化时，y、z方向误差逐渐增大;一般情况下，z方向误差变化大于y方向;y、z方向误差在0～0.06m和0～0.11m之间变化。在上坡面地形中，当扫描角在-30°～0°之间变化时，y、z方向误差减小，而当扫描角度在0°～30°之间变化时，y方向误差在0～0.01m之间变化不大，z方向误差减小;一般情况下，z方向误差变化大于y方向;y、z方向误差在0～0.06m及0～0.11m之间变化。

2、扫描角误差。在四种激光扫描模式中，线性扫描模式是最常见形式。设扫描角为激光束离开激光系统坐标系z轴角度，沿着x轴正方向，以光束逆时针偏离z轴方向为正。瞬时扫描角零角与z轴间偏差称为指标差，用符号表示。指标差使扫描系统旋转角，从而形成实际扫描角。扫描角误差是和差，随着单条扫描线上扫描点数量的增加而增加，设n为一条扫描线上的总点数，i为一条扫描线上所有扫描点中的第i个点，视场角误差。考虑到指标差及视场角误差，实际扫描角、扫描角、扫描角误差。

扫描角误差导致x轴在激光系统坐标系中的微小旋转。此外，在y、z轴分别存在扫描平面误差角及，这三个扫描误差角共同作用，使扫描平面不能完全垂直于x轴。

在实验室校准条件下，1m激光将产生与零角0.1mm偏差，转换为0.006°角度，最大指标差为该值的三倍，即0.02°。类似的方法考虑带宽角误差和其他两个扫描平面的未对准误差=0.03°。

由此可见，LIDAR点云误差与航高H成正比，航高越高，LIDAR点云平面及高程误差越大。当扫描角一定时，点云x向误差与与及正相关，随着二者增大而增大;扫描角误差与扫描角有关，当扫描角常数时，y、z方向误差为常数。因此，扫描角是影响LIDAR点云误差的重要因素。

在航高H=1000m、扫描误差角==0.03°前提下，当扫描角从-30°变化到0°时，x、y方向误差逐渐增大，z方向误差逐渐减小;当扫描角z从0°增加到30°时，x、y、z方向误差都在增加，但z方向误差增长缓慢。因此，x、y、z方向误差分别在0.22～0.83m、0.09～0.61m、0～0.35m间变化。

3、安置角误差。理论上，激光系统坐标系应与IMU坐标系完全一致。无论安装方式如何，两者间都会有微小角度差，沿x、y、z轴产生的误差角分别称为侧滚角、俯仰角、偏航角。飞行校准前安置度误差可能高达0.3°，人工校准后约为0.01°，自动平差校准后安置角误差可达0.004°。

LIDAR点云误差与航高H成正比，航高越高，LIDAR点云平面及高程误差越大。当扫描角不变时，、共同影响LIDAR点云x向误差，随扫二者的增大而变大;LIDAR点云的y、z方向误差正比于，并随增大而增大。当扫描角不变时，LIDAR点云误差为常数。此时，扫描角也是影响LIDAR點云定位误差的重要因素。

二、随机误差

虽然LIDAR系统发射的每个脉冲都能接收多个回波，但在植被覆盖率较高的地区，很难确定最终回波是否到达地面。不同的地表植被密度将导致不同LIDAR点云精度，植被密度越大，LIDAR点云穿透植被到达地面的点越少，地面激光点密度越低，点云高程误差则越大;相反，植被越稀疏，LIDAR点云越易穿透树叶到达地面，地面点数量越多，点云高程误差越小。因此，实际照射地面的激光点密度决定了激光点高程精度。有学者用点云密度及地形坡度共同描述一个高程误差经验模型，在上述已考虑了地形坡度对LIDAR点云定位误差的影响，可假设地形坡度=0。

点云密度通常在0.5～20pts/m2范围内，由点云密度引起的高程误差在0.01～0.08m之间。

参考文献

[1]邬建伟.机载LIDAR激光束与扫描镜对准误差影响分析[J].红外与激光工程，2015（02）.

[2]崔希民.机载LIDAR点云定位误差分析[J].红外与激光工程，2014（06）.