光达雷射脉冲回波分析对於提升定位精度之研究

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1、光達雷射脈衝回波分析對於提升定位精度之研究學生：王滙智教授：趙鍵哲前言光達(LightDetectionAndRanging,LiDAR)是近年來最熱門的測量技術、其能快速的獲得物表的三維點坐標，並可用以生產DSM(DigitalSurfaceModel)，建立三維建物模型等，但是它有其缺點：不容易獲得建物(人造物)角點與邊緣線上的點。光達點資料量雖大，但是實際能應用的點少，且不容易辨識，可靠度低。而目前地面光達以及大部份小光跡(footprint以下稱為footprint)之空載光達系統對波形處理採內嵌式且用相當簡易

2、的方式決定時間點推算距離並結合掃瞄及定位系統計算點雲三維坐標，此種方式明顯無法妥善處理高程變異顯著的地物表而造成點位錯位，例如當光達光跡落於建物邊緣、樹林、植物等物表上時。較新的光達系統記錄方式是紀錄完整的回波(fullwaveform)，如一段波形紀錄128個取樣點，其優勢是能夠比較完整的紀錄光達光跡內的高程變化，藉此提升距離的精度。使用者也能依自己的需求來選擇波形偵測模式與時間取樣方式，在應用上更為寬廣，且更能發揮光達在高程上高精度的優勢。本研究主要針對光達footprint直徑在1m以內的光達系統而論，此類光達系

3、統主要功能為獲得三維物表坐標，並作為生產DSM及建立三維建物模型等需要高精度建物角點與邊緣點坐標的應用，因此有必要提升光達坐標的精度與描述物表的細節程度。由於記錄完整波形的光達系統尚不普遍，本研究發展出光達完整波形模擬器與光達幾何定位模擬器，用以產生實驗地形與光達資料作為研究，此光達模擬器不僅能作為研究資料生產，也期望能作為光達資料精度評估的有效工具。波形處理是完整波形資料應用的重要工作，本研究使用不同處理方法並分析比較，期望能作為往後相關研究參考與使用。本研究的研究主軸在於分析傳統光達系統時間取樣方式在建物邊緣上造成

4、的時間取樣錯位誤差(以下簡稱為錯位誤差)，以了解現行模式可能的問題。研究流程本研究完整流程圖如圖1所示，本文主要介紹波形偵測錯位誤差分析，包括影響回波與定位精度之變因探討與錯位誤差實驗分析，並於錯位誤差實驗分析中結合系統誤差的造成光達定位影響一併探討。J^mprilTt的面積變因▼掃瞄角變因▼地形變因(高程差)圖1研究流程圖介紹空載雷射掃瞄系統是一種主動式的量測系統，其經過雷射掃瞄儀、全球定位系統(GlobalPositioningSystem,GPS)、慣性導航系統(InertialNavigationSystem,

5、INS)的整合，可以直接得到物表的三維空間資訊。典型的雷射掃瞄儀可分為許多單元，其中雷射測距單元可分為脈衝式與連續波式，本文主要介紹脈衝式雷射的特性與資料儲存。脈衝式雷射的footprint大小與航高及雷射光的發散情況有關'雷射的發散情形可以感測器的IFOV(InstantaneousFieldOfView)定義之。一般而言空間中雷射光束其IFOV大約介於0.3mrad至2mrad之間(WehrandLohr,1999)，在航高500公尺時，其地面footprint直徑大概為30公分。選擇IFOV較大時通常是用於量測的

6、物體體積較小，以確保能有效涵蓋到物體，如樹木的頂端或電力線等，但是涵蓋範圍較大導致定位精度降低，因此位置精度是隨IFOV成正比影響。雷射能量於IFOV內的分布以中心位置最強，越外圍能量越弱，通常以三維的高斯分布來描述雷射能量的分布情形，如圖2。圖2三維高斯分布當接收器所接收的脈衝振幅高於既定門檻值或其他演算法計算值時將會被記錄下來，有些儀器也會紀錄最後或中間的反應值(echo)。若整個雷射是打在平坦的物表上則回波僅會有單一個波峰與一個紀錄值，激發一個脈衝所需的時間稱為脈衝寬度(pulsewidth)，假如脈衝寬度為5n

7、s，將產生一條1.5公尺長的光線，且與多樣的物表反射下，會使回波複雜化，如圖3。針對以往的記錄方式不足以描述複雜的物表變化，近幾年來許多系統如RIEGLLMSQ560、LITEMAPPER5600、OPTECHALTM3100、TOPEYEII等使用了新的記錄方式來紀錄整段回波紀錄，比如將每次發射脈衝的回波紀錄為128個取樣點‘取樣間隔為0.5ns‘相當於光線上每15公分一個取樣，如圖3。圖3不同物表的回波/紅色與綠色水平線代表系統紀錄的反應值。(Pyysalo,2006)完整波形模擬器本研究實驗測試的雷射掃瞄波形資料

8、主要以完整波形模擬器產生，模擬器根據輸入的地形資料♦發射點footprint中心點等資料可以產生不同配置下的完整回波波形資料，可作為模擬光達系統數值化處理後的波形資料。找出回加人對tt［的時IffliilOfl已印钦gig)的中心IMMdt，卿IU粹用區Mil他料到整妮IK十ilhl—時即国曲直就cr-n*R計紳胞的中心位.It；