高精地图技术专栏 | 基于空间连续性的异常3D点云修复技术

简介：我们需要通过激光的内部机制和数据处理算法，将这些噪声恢复到它本来的位置。本文会从MTA问题产生的原理、激光应对MTA的内部机制、数据处理算法三方面来介绍高精资料处理是如何解决这个问题的。

1.背景

1.1 高精资料采集

高精采集车是集成了测绘激光、高性能惯导、高分辨率相机等传感器为一体的移动测绘系统。高德高精团队经过多年深耕打造的采集车，具有精度高、速度快、数据产生周期短、自动化程度高、安全性高、信息量大等特点。

为了保证高精地图制作的精度，在高精采集车中，我们使用了目前业界最先进的激光测距仪，具有测量距离远、点云密度大等优点，扫描频率可以达到每秒100万点。

1.2 激光MTA问题

高速的扫描频率带来高质量数据的同时，也引入了一些特有的噪声和干扰，MTA就是其中的一种。什么是MTA（Multi-Time-Around）呢？我们可以看一下图1，通过上下两图的对比可以看到，MTA问题实际就是激光的测距问题，激光将远处的点错误的拉到了近处，导致远处的楼房成为了近处路面上的噪声。

MTA问题会给后续资料处理、自动识别、地图制作等工艺流程带来很大的困难，导致识别以及人工流程出现错误。

我们需要通过激光的内部机制和数据处理算法，将这些噪声恢复到它本来的位置。本文会从MTA问题产生的原理、激光应对MTA的内部机制、数据处理算法三方面来介绍高精资料处理是如何解决这个问题的。

图1 MTA问题数据

2.MTA原理

那么，MTA究竟是怎样产生的呢？这要从激光的测量原理说起。

2.1 激光测距原理

典型的激光扫描仪是采用TOF（time of flight）原理进行测量的，即激光传感器在测量时每隔固定时间发射一个脉冲，然后测量返回的脉冲能量，根据发射和接收的时间差计算点的距离：

通过周期性地“发射激光-接收回波”，即可根据光飞行参数得到一系列测量点距离，结合激光自身的位置和姿态即可计算出反射点的位置。

2.2 MTA多区间

激光受自身功率的限制，通常能够探测到的最远物体距离有限，为Dmax。而激光脉冲的发射间隔为dt，在下一个脉冲发射前，当前激光脉冲能够探测到的最远距离为：

高精采集车使用的激光频率为100万点/秒，对应的Dpluse为150m。

通常情况下，激光的发送和接收是按顺序进行的，即发送-接收-发送-接收，空中始终只有一个激光脉冲，接收和发送是一一匹配的。

但是，当Dmax大于Dpluse时，如果测量物体比较远，就可能在空中出现多个脉冲，多个脉冲到达接收器的顺序不再和脉冲发射的顺序一致，接收器无法正确计算脉冲的TOF，从而不能正确的得出物体的测距。这就是MTA（Multi-Time-Around），如下图2所示。

通常将反射信号可能跨过的收发周期数称为“MTA区间”，匹配时间上最近的一个发射信号为MTA1，次近的发射信号为MTA2…依此类推。

Dpluse就是每个MTA的区间长度。如果物体离激光的距离超过这个长度，就会发生MTA问题，高精采集车激光的MTA区间长度是150m，因此对于超过150m的远处高楼就发生了MTA现象。

图2 MTA区间

3.激光应对MTA的内部机制

为了应对MTA问题，激光厂家也做了一些努力，通过利用测量物体的表面连续性的假设和变周期测量技术，找到了一些解决思路。

3.1 邻域连续性假设

在现实世界中大多数物体，例如道路、标牌、建筑物等人造物，这些实物都具有表面连续性，一般不会出现剧烈的几何变化和纹理。因此，连续的激光脉冲测距应该变化不大，如图3所示。

如果能够找到一种办法，使得当激光测距放错MTA区间时，相邻激光点不再具有连续性的特征，就可以将点云放到正确的MTA区间。变周期测量技术就是基于这一思路而产生的。

图3 相邻激光点测距连续性

3.2 变周期测量技术

为了识别MTA问题，激光厂商设计了一系列专利技术，其核心是“激光发射间隔可变”，即相邻激光脉冲发射的时间间隔是不同的，如图4。而且这个发射间隔的变化具备周期性，其周期特点如图5所示。当将点云放错MTA区间时，其测距不再是连续的，而是如图5中列表第3列所示，来回跳跃。如图6，错误的MTA区间，相邻点来回跳跃，形成图中的分层。