簡(jiǎn)介： 我們需要通過激光的內(nèi)部機(jī)制和數(shù)據(jù)處理算法，將這些噪聲恢復(fù)到它本來的位置。本文會(huì)從MTA問題產(chǎn)生的原理、激光應(yīng)對(duì)MTA的內(nèi)部機(jī)制、數(shù)據(jù)處理算法三方面來介紹高精資料處理是如何解決這個(gè)問題的。

1.背景

1.1 高精資料采集

高精采集車是集成了測(cè)繪激光、高性能慣導(dǎo)、高分辨率相機(jī)等傳感器為一體的移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)。高德高精團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年深耕打造的采集車，具有精度高、速度快、數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期短、自動(dòng)化程度高、安全性高、信息量大等特點(diǎn)。

為了保證高精地圖制作的精度，在高精采集車中，我們使用了目前業(yè)界最先進(jìn)的激光測(cè)距儀，具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、點(diǎn)云密度大等優(yōu)點(diǎn)，掃描頻率可以達(dá)到每秒100萬點(diǎn)。

1.2 激光MTA問題

高速的掃描頻率帶來高質(zhì)量數(shù)據(jù)的同時(shí)，也引入了一些特有的噪聲和干擾，MTA就是其中的一種。什么是MTA（Multi-Time-Around）呢？我們可以看一下圖1，通過上下兩圖的對(duì)比可以看到，MTA問題實(shí)際就是激光的測(cè)距問題，激光將遠(yuǎn)處的點(diǎn)錯(cuò)誤的拉到了近處，導(dǎo)致遠(yuǎn)處的樓房成為了近處路面上的噪聲。

MTA問題會(huì)給后續(xù)資料處理、自動(dòng)識(shí)別、地圖制作等工藝流程帶來很大的困難，導(dǎo)致識(shí)別以及人工流程出現(xiàn)錯(cuò)誤。

我們需要通過激光的內(nèi)部機(jī)制和數(shù)據(jù)處理算法，將這些噪聲恢復(fù)到它本來的位置。本文會(huì)從MTA問題產(chǎn)生的原理、激光應(yīng)對(duì)MTA的內(nèi)部機(jī)制、數(shù)據(jù)處理算法三方面來介紹高精資料處理是如何解決這個(gè)問題的。

圖1 MTA問題數(shù)據(jù)

2.MTA原理

那么，MTA究竟是怎樣產(chǎn)生的呢？這要從激光的測(cè)量原理說起。

2.1 激光測(cè)距原理

典型的激光掃描儀是采用TOF（time of flight）原理進(jìn)行測(cè)量的，即激光傳感器在測(cè)量時(shí)每隔固定時(shí)間發(fā)射一個(gè)脈沖，然后測(cè)量返回的脈沖能量，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算點(diǎn)的距離：

?

通過周期性地“發(fā)射激光-接收回波”，即可根據(jù)光飛行參數(shù)得到一系列測(cè)量點(diǎn)距離，結(jié)合激光自身的位置和姿態(tài)即可計(jì)算出反射點(diǎn)的位置。

2.2 MTA多區(qū)間

激光受自身功率的限制，通常能夠探測(cè)到的最遠(yuǎn)物體距離有限，為Dmax。而激光脈沖的發(fā)射間隔為dt，在下一個(gè)脈沖發(fā)射前，當(dāng)前激光脈沖能夠探測(cè)到的最遠(yuǎn)距離為：

?

高精采集車使用的激光頻率為100萬點(diǎn)/秒，對(duì)應(yīng)的Dpluse為150m。

通常情況下，激光的發(fā)送和接收是按順序進(jìn)行的，即發(fā)送-接收-發(fā)送-接收，空中始終只有一個(gè)激光脈沖，接收和發(fā)送是一一匹配的。

但是，當(dāng)Dmax大于Dpluse時(shí)，如果測(cè)量物體比較遠(yuǎn)，就可能在空中出現(xiàn)多個(gè)脈沖，多個(gè)脈沖到達(dá)接收器的順序不再和脈沖發(fā)射的順序一致，接收器無法正確計(jì)算脈沖的TOF，從而不能正確的得出物體的測(cè)距。這就是MTA（Multi-Time-Around），如下圖2所示。

通常將反射信號(hào)可能跨過的收發(fā)周期數(shù)稱為“MTA區(qū)間”，匹配時(shí)間上最近的一個(gè)發(fā)射信號(hào)為MTA1，次近的發(fā)射信號(hào)為MTA2…依此類推。

Dpluse就是每個(gè)MTA的區(qū)間長(zhǎng)度。如果物體離激光的距離超過這個(gè)長(zhǎng)度，就會(huì)發(fā)生MTA問題，高精采集車激光的MTA區(qū)間長(zhǎng)度是150m，因此對(duì)于超過150m的遠(yuǎn)處高樓就發(fā)生了MTA現(xiàn)象。

圖2 MTA區(qū)間

3.激光應(yīng)對(duì)MTA的內(nèi)部機(jī)制

為了應(yīng)對(duì)MTA問題，激光廠家也做了一些努力，通過利用測(cè)量物體的表面連續(xù)性的假設(shè)和變周期測(cè)量技術(shù)，找到了一些解決思路。

3.1 鄰域連續(xù)性假設(shè)

在現(xiàn)實(shí)世界中大多數(shù)物體，例如道路、標(biāo)牌、建筑物等人造物，這些實(shí)物都具有表面連續(xù)性，一般不會(huì)出現(xiàn)劇烈的幾何變化和紋理。因此，連續(xù)的激光脈沖測(cè)距應(yīng)該變化不大，如圖3所示。

如果能夠找到一種辦法，使得當(dāng)激光測(cè)距放錯(cuò)MTA區(qū)間時(shí)，相鄰激光點(diǎn)不再具有連續(xù)性的特征，就可以將點(diǎn)云放到正確的MTA區(qū)間。變周期測(cè)量技術(shù)就是基于這一思路而產(chǎn)生的。

圖3 相鄰激光點(diǎn)測(cè)距連續(xù)性

3.2 變周期測(cè)量技術(shù)

為了識(shí)別MTA問題，激光廠商設(shè)計(jì)了一系列專利技術(shù)，其核心是“激光發(fā)射間隔可變”，即相鄰激光脈沖發(fā)射的時(shí)間間隔是不同的，如圖4。而且這個(gè)發(fā)射間隔的變化具備周期性，其周期特點(diǎn)如圖5所示。當(dāng)將點(diǎn)云放錯(cuò)MTA區(qū)間時(shí)，其測(cè)距不再是連續(xù)的，而是如圖5中列表第3列所示，來回跳躍。如圖6，錯(cuò)誤的MTA區(qū)間，相鄰點(diǎn)來回跳躍，形成圖中的分層。

圖4 變周期發(fā)射技術(shù)

圖5 變周期參數(shù)

圖6 錯(cuò)誤MTA區(qū)間

4.MTA修正算法

根據(jù)MTA問題的原理以及鄰域連續(xù)性假設(shè)，結(jié)合硬件上的變周期測(cè)量技術(shù)，確定MTA問題處理方案。首先進(jìn)行鄰域劃分，找到相鄰激光點(diǎn)，然后對(duì)相鄰點(diǎn)計(jì)算放到不同MTA區(qū)間的統(tǒng)計(jì)權(quán)值，權(quán)值大的為真實(shí)MTA區(qū)間。同時(shí)為了提高算法性能，利用激光本身安裝位置參數(shù)避免不必要的權(quán)值計(jì)算。

4.1 鄰域設(shè)置與檢測(cè)

首先確定鄰域，因?yàn)長(zhǎng)idar是一圈圈掃描的，既要考慮時(shí)間上連續(xù)的點(diǎn)相鄰，也要考慮連續(xù)圈的相鄰。其基本思路如下：

• 數(shù)據(jù)分圈：以一個(gè)圓周（線）為基本處理單元；
• 連續(xù)性計(jì)算區(qū)域：對(duì)于某個(gè)點(diǎn)，取其當(dāng)前圈的鄰近點(diǎn)以及前后相鄰兩圈的鄰近點(diǎn)作為連續(xù)性計(jì)算區(qū)域，如圖7；
• 對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算其測(cè)距連續(xù)性權(quán)值以及反射率連續(xù)性權(quán)值，即與方差成反比例然后得出MTA區(qū)域。

圖7 鄰域查找

4.2 加權(quán)統(tǒng)計(jì)策略

總的加權(quán)策略是距離方差越大，權(quán)重越小；反射率方差越大，權(quán)重越小。具體權(quán)值選擇采用高斯函數(shù)或三角函數(shù)。

經(jīng)過實(shí)際大批量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，距離方差的權(quán)重采用高斯函數(shù)，其中u=0,δ=0.25,反射率方差的權(quán)重也采用高斯函數(shù)，其中u=0,δ=4

圖8 加權(quán)函數(shù)選取

具體計(jì)算過程如下：

• 對(duì)每個(gè)點(diǎn)，分別獲取其作為MTA1與MTA2的測(cè)量數(shù)據(jù)，主要為測(cè)距值、反射率；
• 對(duì)每個(gè)點(diǎn)，分別獲取其MTA1與MTA2鄰居點(diǎn)集合；
• 計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的每個(gè)鄰居的測(cè)距權(quán)值和反射率權(quán)值，然后求和，最終根據(jù)權(quán)值大小確定MTA區(qū)域。

4.3 處理效果

算法的處理效果如下圖9，圖10.

圖9 MTA處理效果：未處理MTA

圖10 MTA處理效果：MTA恢復(fù)結(jié)果

4.4 性能優(yōu)化

使用基本的處理方案可以較好地恢復(fù)MTA錯(cuò)誤問題，但是由于搜索區(qū)間較大，而且必須逐點(diǎn)處理，效率很低，不能滿足效率的要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。考慮的優(yōu)化方向包括減少搜索區(qū)間和算法優(yōu)化兩方面。

4.4.1 減小搜索區(qū)間

我們使用的激光設(shè)備探測(cè)范圍參數(shù)如下，不超過300m，也就是2個(gè)MTA區(qū)間，因此可以只考慮MTA1和MTA2區(qū)間兩種可能，這就大大降低了計(jì)算量。

設(shè)備探測(cè)范圍參數(shù)：

• 探測(cè)距離最大 235m（80%高反射率）；
• 低反射率物體不到 100m；
• 針葉林 100m；
• 柏油瀝青 120m；
• 闊葉林 150m；
• 建筑磚頭 200m左右；
• 白色灰泥 250m。

4.4.2 算法優(yōu)化

根據(jù)掃描特性進(jìn)一步進(jìn)行算法優(yōu)化。

• 考慮到發(fā)生MTA錯(cuò)誤都發(fā)生在地面以上，即激光實(shí)際能掃描到的很遠(yuǎn)的物體都在地面以上，可先根據(jù)車高信息剔除地面附近點(diǎn)；
• 對(duì)于多次回波，點(diǎn)的連續(xù)性只取第一次回波來計(jì)算；
• 分圈后按掃描角和測(cè)距值判斷空間相鄰；
• 分圈處理，多線程并行加速；
• 對(duì)于不同區(qū)域的連續(xù)性都很差的點(diǎn)作為孤立點(diǎn)進(jìn)行剔除。

5.總結(jié)與展望

MTA處理算法作為點(diǎn)云解算模塊的一部分，是采集資料處理上云的重要環(huán)節(jié)，不解決MTA問題，就無法實(shí)現(xiàn)采集資料處理的自動(dòng)化。同時(shí)MTA處理算法去除了資料處理環(huán)節(jié)對(duì)激光廠商軟件的依賴，為公司節(jié)省了大量成本。

在算法設(shè)計(jì)階段嘗試?yán)肧VM，RF等機(jī)器學(xué)習(xí)手段按點(diǎn)云分類思路解題，初步測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣本制作困難、正負(fù)樣本量級(jí)差異過大等問題。另一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)方法批次處理需要考慮合適的空間范圍，對(duì)于每個(gè)分塊動(dòng)輒億級(jí)的點(diǎn)數(shù)，其處理效率將無法滿足產(chǎn)線需求。

在算法效果評(píng)估階段，原本打算使用廠商處理的結(jié)果作為真值。但評(píng)測(cè)下來發(fā)現(xiàn)，廠商處理結(jié)果的效果不如自研算法，不能作為評(píng)測(cè)真值。最終我們結(jié)合產(chǎn)線工藝需求，專門制作了評(píng)估方案，算法目標(biāo)對(duì)焦到業(yè)務(wù)需求，從而客觀、可靠、快速地完成了算法的評(píng)測(cè)工作。

目前MTA處理算法已經(jīng)進(jìn)入了線上生產(chǎn)，處理了上萬公里點(diǎn)云數(shù)據(jù)，目前運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期。

作者：高德技術(shù)小哥

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總結(jié)

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