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BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。1国产低空轻小型激光雷达测量系统A-Pilot简介及工程应用技术支持部张涛2014.10.10北京北科天绘科技有限公司BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。21系统简介国产低空轻小型机载激光雷达A-Pilot系统是北京北科天绘公司针对低空小范围面积作业研发的激光雷达测量系统，系统安装简便，重量轻巧，多样化集成，能够方便用于直升机、动力伞、三角翼、小蜜蜂、A2C、热气球等多种低空飞行器。2系统组成A-Pilot低空轻小型机载激光雷达系统主要由硬件部分和软件系统组成；硬件系统包括AP0500激光扫描仪、相机、POS系统、控制计算机；软件主要包括飞行控制导航软件和数据预处理软件。2.1硬件系统2.1.1AP0500扫描仪Figure1AP0500主题:国产低空轻小型机载激光雷达A-Pilot系统项目名称:Lidar作者:日期(yyyy/mm/dd):更改说明Zhangtao20141010InitialBeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。3A-Pilot系统集成北科天绘AP0500型号机载激光雷，AP0500自然地物反射条件（反射率18%左右）下，最大测程能够达到800m，最高点频能够达到500kHz，单点重复测量精度可达5~8mm@100m；AP0500具有70°有效作业视场角，即航带宽度为1.4倍航高，当飞行高度500m时，航带宽度可达700m，具有极高的作业效率。设备集成多回波测量模式，能够接受多次反射回波信号，能够方便用于森林植被调查飞行。Table1AP0500技术指标设备型号AP-0500最大测距ρ20%800m1000mρ60%最大脉冲频率(kHz)500测距精度(mm@100m)5～8测角分辨率(°)0.002视场角(°)70扫描频率(线/秒)50～200回波模式四回波光斑发散角（mrad）0.3激光波长(nm)1550激光等级Class1内置GPS板卡是内置存储卡128GB一键启动作业模式是备注：AP系列详细产品资料见：《机载AP系列宣传册.pdf》;AP0500产品内置GPS接收机板卡，能够自动接受GPS、PPS等信号实现时间同步，并提供外部输入信号接口，方便系统集成；并且设备内置可插拔式CF存储卡，方便数据存储与交换。2.1.2相机A-Pilot激光雷达系统可集成佳能EOS5Dmark系列单相机、双拼佳能相机、飞思IQ180相机、哈苏H3/4D相机，工程作业中考虑到价格成本问题，用的比较多的还是民用佳能相机。BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。4Figure2佳能双拼相机AP0500激光雷达能够为集成的相机提供多种模式的触发曝光控制，包括定距离曝光、定时曝光、定点曝光及定角度曝光等，如定距离曝光即每两个曝光点之间的距离都是一致的，适用于地形起伏不大的区域。定点曝光模式需要在飞行规划中设计好每一张相片的曝光位置，设计曝光点时可以参考DEM数据，从而保证地形起伏比较大的区域相片间的重叠度。AP0500为相机提供曝光信号并且进行记录，同时相机曝光后的反馈信号提供两种模式的记录方式，第一可以将曝光信号反馈记录到激光扫描仪的IMP数据中，预处理过程中输出相机曝光时间对文件；第二可以将相机曝光反EVENT信号输入到POS系统中，在轨迹后处理过程中输出相机曝光姿态位置数据（EO文件）。2.1.3POS系统AP0500激光雷达测量系统根据用户对姿态精度要求，可集成APPLANXPOSAV510/610、POS2010（33所的惯导）、SPANFANS/CPT等惯导测量装置。AP0500与惯导装置的集成只需要惯导为其提供UTC时间和PPS同步信号即可，方便集成；并且AP0500能够根据集成的惯导装置的不同自动识别不同格式的输出信号，实现激光数据与轨迹数据的同步。2.1.4控制单元A-Pilot激光雷达测量系统，采用北科天绘自主研发的PLAM控制模块对系统进行控制；PLAM根据机上作业环境采用航空铝型材设计加工，接口全部采用航空型接插件，保证机上作业时的可靠性。BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。5Figure3PLAM控制模块备注：A-Pilot系统也可采用普通笔记本通过网线进行控制。2.1.5硬件集成效果Figure4系统集成2.2软件系统2.2.1控制导航软件WinNavA-Pilot机载激光雷达控制系统控制软件为WinNav，软件界面如下图所示：BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。6Figure5WinNav界面WinNav软件能够提供有人机和无人机两种模式的作业方式，软件主要功能如下：1)飞行规划制作；2)激光雷达参数控制；3)数据记录开关控制；4)飞行航线切换；5)系统工作状态监控及记录；6)环境变量参数实时显示；7)飞行员导航；8)点云剖面实时显示；9)相机曝光反馈信号实时显示；10)数据量及数据采集速度监控；11)飞行实时轨迹显示。WinNav软件能够为飞行员提供两种不同模式的飞行导航方式，即全局界面导航模式和放大界面导航模式，如下图所示，能够方便的用于动力伞、三角翼等没有自主导航装置的飞行平台。BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。7Figure6飞行员导航界面（左：全局界面；右：放大界面）2.2.2数据预处理软件UI-APUI-AP是北科天绘公司针对A-Pilot系统开发的数据预处理软件，软件主要功能为解码激光雷达系统采集的原始IMP数据，并与轨迹进行融合解算生成大地测量坐标系下的标准LAS\XYZI\PTX等格式的点云数据。UI-AP软件还具有点云滤波、点云浏览、点云分类等基本点云数据处理功能。Figure7UI-AP软件界面BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。82.3总结北科天绘A-Pilot机载激光雷达测量系统针对低空飞行器推出的航测LIDAR系统，具有多种灵活的配置选择，能够快速高效的获取地面激光点云和影像数据，具有极高的数据获取效率，适用于小范围低空航测作业，在保证获取数据精度的同时，降低项目的成本预算。3精度评估A-Pilot机载激光雷达测量系统精度评估是指系统在WGS84坐标系下的绝对测量精度，主要包括两个方面，一是平面位置精度，二是高程精度。3.1飞行概况标定飞行概况如下：1)飞行平台：动力三角翼；2)飞行高度：200m、300m；3)飞行速度：60~90km/h;4)激光雷达系统：LidarAP0500+APPLANIXPOSAV510+CannonEOS5DMarkiii；5)激光参数：频率：200kHz、线频：80Lines/s；6)点密度：0.16x0.17（200m航高）；0.19x0.21（300m航高）；7)基站数据来源：CORS（采样频率1Hz）；3.2飞行航线设计本次标定飞行共飞行两个高度200m和300m，共飞行5条航线，其中两条往返飞行，飞行航线如下图所示：BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。9Figure8飞行航线3.3检查点布设Lidar飞行检查点布设方式参考传统摄影测量布设方法，共布设两种检查点，一种是平面控制点，另一种是高程控制点。1)平面检查点选择一空阔无遮挡区域，根据前期设计航线方向及航带宽度，在平面区域内均匀布设6个平面检查点，使这6个检查点均匀分布在航带的中间和边缘区域，对不用扫描视场角范围内的点云进行检核。平面检查点布设方式如下图所示：Figure9检查点布设激光Lidar检查点的布设对材料有特殊需求，检查点应具备比较高的反射强度，使其能够与周边扫描区区域扫描点云区分出来；或者检查点上能够有比较明显的反射强度区分，如对角黑BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。10白喷涂。标定飞行中采用白色木板作为检查点，3个全部为白色，3个对角喷涂黑色，如下图所示：Figure10检查点2)高程检查点高程检查点由两部分组成，一是平面检查点，二是选择一相对水平的水泥路面，在水泥路面内均匀测量多个高检查点，后期与激光扫描点云进行对比。3.4数据处理3.4.1轨迹数据预处理轨迹数据处理方式采用单基站差分后处理模式，基站采用标定场附件的CORS站观测数据，数据采样频率为1Hz，IMU采样频率为200Hz；轨迹数据解算采用POSPACMMS6.3版本软件进行，解算后的轨迹进度显示为6~7cm左右。BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。11Figure11轨迹解算3.4.2点云解算原始IMP文件联合轨迹解算后的航带激光点云数据如下图所示:Figure12航带点云BeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。123.4.3检查点提取在解算的航带点云文件中，根据布设检查点反射强度与周边参考地区不同的特征，提取扫描检查点的点云（X,Y,Z）坐标及强度值；检查点扫描点云如下图所示：Figure13检查点点云提取后的检查点上一般均匀的分布着6~10个激光脚点，将提取出来的激光脚点坐标及强度值求取平均值，作为此检查点的最终激光扫描坐标值。3.5精度评定1)平面位置精度Table2平高控制点精度统计（航高200m）点号RTK测量点Lidar测量点DELTXYZxyzx'y'z'1292004.1804225575.00051.460292004.1184225575.18951.4460.063-0.1890.0142292007.5604225602.16051.410292007.5294225602.12051.3890.0310.0400.0213291961.8304225605.30051.420291961.8404225605.40351.433-0.010-0.103-0.0134291943.9104225584.53051.410291943.9554225584.45051.434-0.0450.080-0.0245291877.8804225591.92051.420291878.0204225591.81051.333-0.1400.1100.0876291874.8504225611.27051.500291874.9084225611.13551.537-0.0580.135-0.037统计平均值m0.0580.1090.033中误差m0.0450.0500.028由上表统计显示，当飞行净空高度为200m时，A-Pilot激光雷达测量系统的平面位置X方向平均误差为5.8cm，中误差为4.5cm；Y方向平均误差为10.9cm，中误差为5.0cm；Z高程方向平均误差为3.3cm，中误差为2.8cm。2)高程精度Table3高程精度统计（航高300m）点号RTK测量Lidar测量高程mDELTm纬度（°′″）经度（°′″）高程mBeijingSureStarTechnologyCoporationImphotonComputingCorp。131373159.432781151559.4327889.35989.2880.0712373148.485901151548.4859078.94279.002-0.060