面阵激光雷达成像仪的绝对精度评估

为了更清晰地获知面阵激光雷达成像仪的实用性能，在完成激光雷达测距试验(即相对精度评估)之后，我们对该成像仪进一步开展绝对精度评估。所谓的“绝对”精度评估，意味着将被测量的25 个目标单元的距离与其他量测仪器(如全站仪)、激光测距仪测得的距离进行比较。

相对于LGCPs 的几何精度，我们用均方根误差(RMS)来评估三维坐标(X，Y，Z)，即

式中，

其中，χi表示来自GLiDAR 模拟的(Xi，Yi，Z i)坐标；χ′i表示人工量测的LGCP 的三维坐标(X′i，Y′i，Z′i)；n 是LGCPs 的数量。下面分别讨论这两种精度评估。

精度评估的具体实验如下：

(1)实验平台设置

我们在实验室的走廊里建立了一个简单、低成本但高精确度的验证场，如图8-7所示。首先，我们把半径不同的黑白同心圆人工标志贴在墙上，为了方便测量，将黑白同心圆的圆心标记为“十”。不同标志之间的距离以及不同标志与面阵激光雷达仪之间的关系，分别由南方NTS-362 全站仪测定。一个以原点在墙角、Z 轴与深度方向相反、天顶方向为X轴(“东”)的局部右手坐标系(G-XYZ)被建立，如图8-7(a)所示。

(2)验证步骤

验证实验使用两个步骤进行。首先，GLiDAR 成像仪被安装在一个移动车上，移动车安装一个“水平仪”，然后小心地沿X 轴和Z 轴方向平移，以便使俯仰角和横滚角等于零，再将移动车沿Y 轴移动，以使航向角等于零。与此同时，用手将一个波长为650nm 的红色激光输入到每个光纤连接器(如图8-7(b)中所示)，以便“可视地”“验证”反射在墙壁上脚迹(如图8-7(d)中所示)。根据本书7.2 节中的公式，这些用GLiDAR 成像仪测量的距离被转化为三维坐标(φ=0°，ω=0°，κ=90°)。与此同时，这些拍摄的三维(3D)网格纸的红色激光足印坐标由全站仪测定计算得到。

(3)通过四个场景来验证精度

我们用四个场景(如图8-7 所示)来验证GLiDAR 能达到的精度。其中的操作过程是重复上述实验步骤。用于可视化三维点云数据的软件系统将在第10 章中介绍。该软件系统能够去噪、识别有无返回信号、点云数据内插成网格数据并在局部坐标系中可视化点云数据。详细的描述可以参考相关文献(Zhou et al.，2015；黎明焱，2016)。如图8-8 所示是四个场景的可视化图。

(4)准确度评价

37 个红色激光足印的三维坐标使用径向进给法(radial traversing)计算，所得到的值作为“真”值。在这4 个区域中，37 个地表单元的三维坐标用开发的模型计算，所得到的值被作为测量值。我们使用式(8-1)来进行三维坐标精度评价，相对于“真”值，面阵激光雷达仪GLiDAR 测量的XYZ 坐标系均方根误差值大约是15cm，如表8-4 所示。(www.xing528.com)

图8-7　精确评估的实验场景

(a)室内试验场，(b)人工输入红色激光到激光光纤，(c)放大的目标点，(d)红色激光目标点脚印

图8-8　四个场景的精度评估可视化图

表8-4　四个场景的误差分析

通过测距试验和“绝对”精度的实验验证，我们可以得出结论，本书中设计并实现的面阵激光雷达是可行的，并具有足够的精度，所达到的精度可以与其他国际面阵激光雷达(如DragonEye3D、AG SR4000)所达到的精度相媲美。GLiDAR 成像仪的优点主要有：

①不会产生机械扫描错误，并具有比单点扫描激光雷达成像仪更高的精度。

②可以有效地避免因内插误差而导致数字表面模型(DSM)的精度下降。

③相对于单点扫描激光雷达成像仪来说，面阵激光雷达成像仪能够快速、高精度成像，从而能够有效地实现实时的大面积三维制图。

④随着技术的发展，更多单元的APD 阵列将被研制出来，面阵激光雷达仪单脉冲将能获取更大的目标图像。Figer 等在2011 年报道了他们实验室正在研究的256×256 单元APD 阵列。

但面阵激光雷达成像仪也有缺点：

①面阵激光雷达仪在一瞬间需照射大面积的地表，因此它要求发射功率更大的激光器。

②面阵激光雷达成像仪当前还是原理样机，有待进一步精制成商业产品。