Ανάπτυξη διαδικασίας βαθμονόμησης συστήματος LiDAR

Abstract

Η παρούσα διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πεδίο της μετρητικής εκμετάλλευσης μη συμβατικών απεικονίσεων από ψηφιακά συστήματα, εστιάζοντας στα κινούμενα συστήματα χαρτογράφησης MMS (Mobile Mapping System) και ειδικότερα στα συστήματα LiDAR (Light Detection and Ranging). Το σύστημα LiDAR ανήκει στην κατηγορία των αερομεταφερόμενων συστημάτων απεικόνισης, αποτελεί συχνά βασικό τμήμα ενός MMS και θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένα σύνθετο σύστημα αφού περιλαμβάνει δέκτες GPS (Global Positioning System) και αδρανειακά συστήματα INS (Inertial Navigation System) για τις ανάγκες της πλοήγησης, ενώ για της χαρτογράφησης περιλαμβάνει απαραιτήτως μια διάταξη σάρωσης laser και πολύ συχνά μια ψηφιακή φωτομηχανή. Πρόσφατα, με την εξέλιξή τους τα συστήματα LiDAR έγιναν το κύριο εργαλείο για την απόκτηση δεδομένων επιφανείας (DTM, DSM κ.ά.) και αποτελούν πλέον εξελιγμένα συστήματα χαρτογράφησης. Ο επιτυχής συνδυασμός των δεδομένων που παράγουν τα διάφορα υποσυστήματα ενός MMS, αποτελεί παράγοντα καθοριστικής σημασίας για την σωστή λειτουργία του συστήματος. Η ακρίβεια του τελικού προϊόντος επηρεάζεται άμεσα από την ακρίβεια των επιμέρους δεκτών, την θέση και τον προσανατολισμό, που επιτυγχάνεται μέσω του συστήματος GPS/INS, τον συγχρονισμό τους, την βαθμονόμηση του συστήματος, τις ιδιότητες του δέκτη απεικόνισης (φωτομηχανή ή/και σύστημα LiDAR) και την επίδραση της γεωμετρίας τους. Παρόλα τα πλεονεκτήματα των σύγχρονων MMS, η πολυπλοκότητά τους παρουσιάζει απαιτήσεις κυρίως ως προς την ορθή βαθμονόμηση του συστήματος των δεκτών. Η ουσιαστική σημασία των διαδικασιών βαθμονόμησης για κάθε δέκτη ξεχωριστά, η χωρική σχέση μεταξύ του δέκτη INS και των δεκτών απεικόνισης καθώς και η απόκλιση της σχέσης αυτής με την πάροδο του χρόνου, το οποίο στην διεθνή βιβλιογραφία ονομάζεται boresight misalignent, δημιουργεί την ανάγκη περαιτέρω μελέτης. Ο στόχος της διατριβής αυτής είναι η δημιουργία μιας εύχρηστης μεθοδολογίας, με την οποία θα εκτιμώνται οι παράμετροι του boresight misalignment μεταξύ INS και LiDAR παρέχοντας τη δυνατότητα της εξάλειψης τυχόν χονδροειδών σφαλμάτων (outlier) των δεδομένων μέσω ποιοτικών ελέγχων (QA/QC). Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε αλγόριθμος μετασχηματισμού μεταξύ δεδομένων αναφοράς τα οποία λαμβάνονται από φωτογραμμετρική απόδοση αεροφωτογραφιών και από σάρωση με χρήση LiDAR. Με στόχο την εν μέρει κάλυψη του αναμφισβήτητου κενού στην ελληνική αλλά μερικώς και στην διεθνή βιβλιογραφία, πραγματοποιείται αρχικά αναλυτική παρουσίαση των αρχών λειτουργίας των συστημάτων LiDAR. Περιγράφονται οι δέκτες πλοήγησης και απεικόνισης που συμπεριλαμβάνονται σε αυτά και αναλυτικά παρατίθεται η θεωρητική προσέγγιση του LiDAR/INS boresight misalignment και η έως σήμερα αντιμετώπιση του όλου ζητήματος. Προτείνεται μέθοδος βαθμονόμησης μεταξύ του LiDAR και του INS, μέσω του βέλτιστου συνδυασμού των δεδομένων LiDAR με εκείνα των αεροφωτογραφιών, η οποία συμβάλει στην βελτίωση της ακρίβειας σάρωσης επιφανείας μέσω LiDAR. Προσδιορίζονται κριτήρια επιλογής καταλλήλων θέσεων αναφοράς και μελετάται η αποτελεσματικότητά τους και η αξιοποίηση της χρήσης αστικών περιοχών για την εκτίμηση των παραμέτρων του LiDAR/INS boresight misalignment. Μελετάται η ελάχιστη πυκνότητα των θέσεων αναφοράς και η χωρική κατανομή τους, προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σε σχέση με τις καθοριστικής σημασίας, για το κόστος του έργου, επιλογές των συγκεκριμένων παραμέτρων που γίνεται κατά τον προγραμματισμό της πτήσης. Η θεωρητική προσέγγιση των ζητημάτων αυτών μετουσιώνεται σε πρακτικές εφαρμογές, με την βοήθεια κατάλληλων πραγματικών και προσομοιωμένων δεδομένων.

This dissertation belongs to the general scientific field of the exploitation of unconventional imaging data from digital systems, focusing on Mobile Mapping Systems (MMS) and specifically on the LiDAR system (Light Detection and Ranging). The LiDAR system is a part of the airborne imaging systems MMS, and could be characterized as a complicated system as it needs GPS (Global Positioning System) and inertial systems INS (Inertial Measurement System) for navigation, while for the purposes of mapping it essentially includes a laser scanning device and often a digital camera. Recently, with their evolution the LiDAR systems have become the main component for surface data acquisition systems (DTM, DSM) and advanced surface mapping systems. The successful fusion of data produced by different subsystems on an MMS is a critical factor for the proper operation of the system. The accuracy of the final product is directly affected by the accuracy of individual sensors, the position and orientation obtained through the GPS/INS systems, their synchronization, the calibration of the system, the properties of imaging sensor (camera and/or LiDAR system) and the effect of their geometry. Despite the advantages of modern MMS, their complexity has particular requirements mainly related to the proper calibration of the whole system. The enormous importance of calibration procedures for each individual sensor, the spatial relationship between the INS sensor and the imaging sensors called boresight misalignment, and its deviation during time creates the need for further study. The goal of this dissertation is to create a fast and flexible mathematical tool, by which parameters of the boresight misalignment between the INS and LiDAR can be estimated, allowing the elimination of any possible outlier in the data through QA/QC statistical tests. For this purpose, a new transformation algorithm was developed between the reference data taken by photogrammetric restitution of aerial images and by scanning using LiDAR. One of the main objectives of this dissertation is the analytical presentation of the principles of LiDAR systems, whereby the gaps in Greek and partly in international literature are covered. A description of navigation and imaging sensors which are included in the LiDAR MMS systems is followed and the theoretical approach to LiDAR/INS boresight misalignment and the confrontation of the tackling whole issue to date are presented analytically. A LiDAR calibration method which contributes both to the optimal exploitation of data fusion from LiDAR and aerial images, and to the improvement of the surface scanning accuracy by LiDAR due to the particular emphasis on the problem of calibration between the LiDAR and the INS is proposed. The criteria for selecting appropriate reference positions are established and the suitability and feasibility of using urban areas to estimate the parameters of LiDAR/INS boresight misalignment has been studied. The minimum density of reference positions and their spatial distribution in order to draw conclusions for the crucial selection of the flight planning parameters, with regard to the cost of the project, has been investigated. The theoretical approach to these issues is transformed into practical applications, with the help of appropriate real and simulated data.