空載光達系統誤差探討 學生:王滙智 指導老師:趙鍵哲 日期:2005/12/9
報告大綱 前言 方法介紹 實驗 未來方向
前言 ALS系統是由許多子系統組成 因此系統本身與系統的聯繫之間存在有許多的系統性誤差，這些誤差會造成光達點的絕對位置含有系統性的偏差，最明顯的例子是航帶與航帶間無法正確的套合。 本文章中將探討ALS系統中所含的誤差，並介紹目前實務上處理的方式。最後配合實務作法修正以前的數學模式，並以模擬實驗測試率定系統誤差參數的成效。
方法介紹~空載光達原理 ALS系統是由許多元件組成-雷射測距儀及光學掃描系統、IMU 、 GPS 雷射掃描儀測得地面點反射回的時間差並計算距離，配合掃描角得到一雷射向量（定義於掃描器座標系） 由於儀器安置的因素，雷射掃描器座標系與IMU座標系存在一轉換關係，三個角度與三個位移的轉換參數稱為安置參數。 從IMU得到姿態角，與IMU、GPS間的位移向量，可將雷射向量旋轉至GPS天線座標系，最後再做轉換至WGS座標系，即得到覆蓋地表的點位座標
圖1 ALS系統概圖
空載光達座標系統
空載光達座標系統
系統誤差概述 影響光達點雲數據誤差的種類有以下幾種: 斜距的量測精度:主要是雷射發射與接收的時間精度。 GPS精度：KGPS定位的精度。 雷射系統的掃描解析力：包括掃描解析力與掃描角之系統誤差。 IMU/GPS系統整合精度：IMU與GPS用來整合求解載體的瞬間位置與方位，此整合系統用以內差及平滑載體軌道，其中包括IMU的誤差與內差之誤差。 雷射掃描系統、載體、與IMU/GPS間的校準誤差：此項主要為安置位置偏移與安置角度之誤差。
Torsion 掃描器 是利用掃描菱鏡由驅動馬達轉動而將雷射光以不同的角度發射出去。 圖2掃描角誤差 圖3掃描面扭曲
Torsion
誤差模式介紹 而現今商業軟體多採用torsion的改正方式 ，在之前的研究中是沿用(Schenk,2001)的描述，比較兩者造成誤差的影響發現誤差曲線相似，因此可推論兩者只是改正的模式不同，故本研究的數學模式中也改為以torsion來描述掃描角的誤差。
誤差模式介紹 其中
平差模式
實驗 本實驗模擬以(6)式的數學模式求解系統參數，驗證系統參數是否可被求解，並了解參數間的相關性，以作為未來工作的依據。 實驗設計的飛行航線圖如圖4，在掃描涵蓋區域內量取16個控制點，並以量測光達強度影像的方式求取這些特徵點的最近似光達點。實驗設計的航高為800m，掃描FOV為50度，平均每平方公尺有12.67個光達點。而強度影像內插網格為0.5m。
飛行航線圖 圖4 飛行航線圖
模擬實驗資料 光達點的模擬是以(5)式之數學式，不考慮距離誤差與隨機誤差下模擬ALS產生光達點過程。 為求驗證數學模式可以求解，除以量測強度影像的方式取得光達座標值外，另以直接計算發射點與特徵點真值之距離作為距離觀測，經由(5)式轉換計算出光達點座標，並以這些真值平差計算。
實驗一 以直接計算發射點與特徵點真值之距離做為光達 座標觀測量，計算結果如表二。
實驗一
實驗二 實驗二中的光達點由強度影像中量取近似的平面座標，再由光 達點雲中找相對應的點，因此內插網格大小決定了光達點的精 度。內插後的圖如圖4。 圖5 surfer內插成果
實驗二
結論 比較兩實驗的結果，由於都沒有隨機誤差，所以平差結果精度會很高，而實驗二的觀測量是經由量測獲得，理論上會較差的精度，但是從實驗結果發現精度差不多，表示內插的網格夠小，足以得到準確的光達點。
未來方向 目前對於光達模式的必需的資訊實際資料中如何無法取得的問題仍未解決，可能必須從數學模式上或其他方式解決，仍需探討。 而以已知控制點求解的模式仍必須探討。 探討實際資料上量測控制點能否符合要求的問題，並探討控制點選取的方法。
參考文獻 Applanix, 2004. System Specifications－POS AV DG Model 501 (URL:http://www.applanix.com/products/posav_index.php). Schenk, T., 2001. Modeling and Analyzing Systematic Errors of Airborne Laser Scanners. Technical Notes in Photogrammetry No. 19, Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science, The Ohio State University, Columbus, Ohio, 40 pages. Morin, K., 2002. Calibration of Airborne Laser Scanners. Master Thesis, Department of Geomatics Engineering, University of Calgary, 125 pages.