（大地测量学与测量工程专业论文）机载lidar技术在公路线形拟合中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国公路建设的进一步发展，国家对公路信息化建设提出了新的要求和规划。信息的快速处理与 加工使得传统的数据采集与处理方式明显不能适应新的发展要求。2 0 世纪8 0 年代，机载激光扫描( l i d a r ) 技术在多等级三维地球空间信息的实时获取方面产生了重大突破，为获取高时空分辨率的地球空间信息提 供了一种全新的技术手段。因而研究将机载l i d a r 技术应用于对既有道路网基础信息数据的采集和实时 更新，不仅能缩短公路建设项目周期，也能促进公路管理信息化的进步。 本文研究的目标就是要将机载l i d a r 这一最新的测绘技术应用于对既有公路的线形拟合当中。为公路 的改( 扩) 建科学决策和信息化管理提供必要的数据储备。其主要内容包括： ( 1 ) 详细介绍了机载l i d a r 技术的系统组成和工作原理，全面分析了其在国民经济各领域的应用。 ( 2 ) 综述了国内外各种针对l i d a r 数据的滤波与分类方法，并在此基础上探讨了一种在原始离散点集 中提取道路信息的基于既有知识的数学形态学分类方法。 ( 3 ) 分析讨论了制造领域中各种线形拟合算法以及传统的道路线形拟合方法，结合l i d a r 数据的特点 提出了一种针对带状离散点的定步长径向搜索方法以提取道路中轴点列并对点列进行道路平面线形拟合 与恢复。 ( 4 ) 采用沿道路走向分割原始l i d a r 点集的数据预处理方法，用以改进不规则三角网构网中的分割一合 并算法，便于对拟合的道路进行三维建模。 关键字：l i d a r ，公路，线形拟合 a b s t r a c t a st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t ，h i g h w a yi n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nh a sm a d en e wd e m a n d sa n d p l a n n i n g r a p i di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm a k e st r a d i t i o n a lm e t h o d so fd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n go b v i o u s l yp o w e r l e s s a tt h ee n do f8 0 so f t w e n t yc e n t u r y ，a i r b o r n el i g h td e t e c t i o na n d r a n g i n gi sa ne m e r g i n ga n da t t r a c t i v et e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fr e m o t es e n s i n gt h a ti sc a p a b l eo f r a p i d l yc a p t u r i n gt h r e ed i m e n s i o n a lg e o - s p a c i a li n f o r m a t i o ni nm u l t i s c a l e s ，a n da l s og i v eu san e w t e c h n o l o g yf o ro b t a i n i n gs h o r tt i m er e s o l u t i o na n dh i g hs p e c i a lr e s o l u t i o nd a t a 1 1 1 er e s e a r c hf o r a p p l y i n ga i r b o r n el i d a rt e c h n o l o g yt od a t ac o l l e c t i o na n dr e a l t i m eu p d a t e so ft h ee x i s t i n gr o a d n e t w o r kw i l lr e d u c eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nc y c l ea n da l s op r o m o t et h ep r o g r e s so fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t t h e o r i e sa n dm e t h o d sf o ra p p l y i n ga i r b o r n el i d a r t e c h n o l o g yt oh i g h w a ya l i g n m e n tf i t t i n g a r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h em a i ns t u d i e sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l ea n ds y s t e mo fl i d a ra r ei n t r o d u c e d ( 2 ) s o m ed a t af i l t e r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d st ol i d a ra r es u m m a r i e d am a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g ym e t h o db a s e do ne x i s tk n o w l e d g ef o re x t r a c t i n gh i g h w a yi n f o r m a t i o nf r o ml i d a r d a t ai sd i s c u s s e d ( 3 ) s o m ec u r v ef i t t i n gm e t h o d sa n dt r a d i t i o n a lh i g h w a ya l i g n m e n tf i t t i n gm e t h o d sa l e r e v i e w e d as t e pr a d i a ls e a r c hm e t h o do nl i d a ri sd i s c u s s e dt oe x t r a c tr o a da x i sp o i n t sw h i c ha l e u s e df o rt h er o a da l i g n m e n tf i t t i n g ( 4 ) am e t h o do fs p l i t i n go r i g i n a ll i d a rp o i n ts e ta l o n gt h er o a di sd i s c u s s e dw h i c hc a n i m p r o v et h et i nn e t w o r kc o n f i g u r a t i o nu s e di nr o a dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g k e yw o r d s ：l i d a kh i g h w a y ，a l i g n m e n tf i t t i n g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：哆，- ，r 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 伴随着我国公路建设的进一步发展以及数字公路概念的提出，国家对公路行业的信息化建设也提出了 新的要求和发展规划，其中对既有公路基础信息数据的快速采集和更新是公路信息化建设的一个重要组成 部分。在公路改( 扩) 建的科学决策和公路管理信息化的建设过程中，都要求对区域内既有道路网的平纵 线形参数及路线桩号与空间大地坐标匹配的信息有一个全面而实时的了解，然而在上述工作中经常会遇到 这样的问题：由于早期的公路建设和管理不规范，许多道路的线形资料已经遗失或部分遗失，甚至有些低等 级的道路根本就没有线形资料，再加上道路的多次改建和扩建。导致许多道路线形资料不全，或者与实际情 况不符。这些都给公路基础数据的采集带来不少麻烦，成为公路行业现代化建设的制约冈素。因此如何利 用先进的技术和设备，快速、准确地拟合既有道路的线形参数，恢复路线桩号与空间大地坐标的匹配关系是 摆在道路科研人员面前的一个重要问题。传统的测量方法一般采用全站仪或者是车载g p s 沿道路中心线或 行车道连续采集平面线形控制点并配合用水准仪测量高程，但这种方法最大的缺点是工作速度慢，劳动强 度大，尤其对于公路路网的整体构架显然力不从心。 伴随着激光技术的快速发展，机载l i d a r 技术的出现使得快速高效获取地形数据成为可能，从而为解 决公路基础数据采集问题提供了新的途径。l i d a r 即l i g h td e t e c t i o n a n dr a n g i n g 的简称，也叫机载激光 雷达，是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，是激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体 姿态测量技术( 刑s ) 、高精度动态g p s 差分定位技术的高度集成。通过向地面物体发射激光束而直接获取 其三维坐标，生成l i d a r 数据影像。原始的l i d a r 数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数 字地面模型( d e m ) 、等高线图及正射影像图( d o m ) 。 机载l i d a r 系统与其它传统测量手段相比较具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精 度高等技术特点，是目前最先进的能实时获取地形表面三维空间信息和影像的航空遥感系统。基于这些特 点，将其戍片j 于对既有道路网基础信息数据的采集和实时更新不仅在理论上可行，在实际中也存在着客观 的迫切性，而且必将产生巨大的经济效益和社会效益，同时也将引领公路行业的一场新的技术革命。然而由 于对原始l i d a r 数据后处理的研究相对滞后，目前机载l i d a r 技术在公路行业中的应用还处于起步和探 索阶段。因此研究如何从原始l i d a r 数据中提取道路信息并对其进行平面线形拟合，尽可能地恢复其原始 设计参数，对于公路的改( 扩) 建设计或是数字化管理、运营与维护都具有重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 国外对激光扫描技术的研究始于上世纪7 0 年代，最初主要用于航天和军事领域，将其广泛应用于地 形测量却是最近十几年才得以快速发展的事情。相比之下，国内对该技术的研究才刚刚起步，但发展势头 良好。目前国内外对机载l i d a r 技术的研究主要集中在数据后处理上，即根据不同的应用要求而将原始 数据进行滤波和分类，直至构建实物模型。 机载l i d a r 技术最初应用于公路行业主要是快速获取沿公路走廊带的数字地形资料，实现道路的优 化设计u 儿2 儿引。而鉴于分类算法的欠成熟，将其应用于对既有公路的运营维护尚处于探索阶段。在道路信息 的提取方面，目前国内外的算法原理大多基于邻域内点的高程突变和同波强度信息，但由于研究区域地形 地貌的不同以及回波强度的不确定性，使得滤波和分类参数的选取缺乏通用性，从而影响到算法的稳健性 和通用性。 曲线拟合源于工业产品设计中的反求工程技术，即根据实物模型测景数据，建立其数学模型，反求其 原始设计参数，用于产品分析、制造和加t 生产，目前已经被广泛应用于航空、航天、造船、汽车和模具 等现代制造业的领域。而基于机载l i d a r 技术的道路平面线形拟合除去其后续应用的不同，在形式上和步 骤上都类似于制造工程，即先对测量数据点云进行细化，再对细化后的有序型值点进行曲线拟合。国内外 对公路平面线形拟合的方法研究都是在由传统测量手段经实地测量得到的路线控制点的基础上进行的，按 照研究角度的不同，可以将其分为两类：一是从理论的角度，即主要从纯数学( 几何) 的角度出发来研究线 形元素( 直线、曲线) 的选取以及线形元素之间的搭配组合问题：二是从实践应用的角度，即具体使用的角 东南大学硕士学位论文 度出发来研究线形元素的选取与搭配以及c a d 技术的开发h 1 。在工程实际中应用得比较多的主要有以下 几种方法：曲率一弧长判别法、斜率判别法哺1 和综合法川以及经以上方法发展改进而形成的联合平差模型 、方位角法和最小二乘法。 1 3 本文研究的意义及主要内容 改革开放以来，我国的公路建设取得了举世瞩目的成就，这为我国的国民经济发展提供了良好的外部 条件。根据中国公路网的数据显示，伴随着公路通车里程的急剧增长，目前乃至今后相当长的一段的时问 里，我国将面临着对相当数鼍的既有公路改( 扩) 建任务。随着公路没计新理念的提出和国家“十一五” 规划中对智能化交通管理的明确要求，如何快速高效地获取既有公路基础数据为改( 扩) 建提供科学决策 依据或是为公路信息化管理提供及时更新的原始资料就是一个重要的研究课题。 l i d a r 技术经过近2 0 几年的发展，目前大部分有关硬件方面的问题都得到了很好的解决。相比之下， 其软件技术和数据后处理技术发展相对滞后，但随着与相关系统融合的研究进一步深入，该技术业已成为 一种先进的集成测量技术手段，具有极好的发展前景和很强的竞争力，必将在国民经济各领域发挥良好的 经济效益和社会效益。 本文研究的主要目标是：从研究区域的原始l i d a r 数据点云中分离道路信息，形成具有一定宽度的条 带状数据点云，并对这些无序离散点进行道路中心线的曲线拟合，恢复其原始平面线形。具体研究内容包 括： 1 ) 寻求一个稳健高效的方法对原始离散点云进行数据滤波与分类，提取道路信息； 2 ) 对滤除其它信息后的带状公路离散点进行公路线形拟合，恢复公路设计参数，计算逐桩坐标： 3 ) 改进对l i d a r 数据的预处理方法，以便于对拟合的道路进行三维建模； 4 ) 计算机程序实现道路平面线形拟合。 1 4 本文的组织结构 本文首先简要介绍了国内外对机载l i d a r 技术和道路平面线形拟合技术研究的现状，提出了基于机载 l i d a r 技术的道路平面线形拟合的意义和研究的重点。 第二章回顾了机载l i d a r 系统的产生和发展阶段，详细介绍了l i d a r 系统的各个组成部分，并阐述了 其对地定位原理以及影响其精度的各种因素，最后从几个主要的应用领域综述了国内外对l i d a r 技术的 应用现状，展望了其未来的发展方向。 第三章阐述了l i d a r 数据滤波与分类的含义及其基本原理，并对国内外现有的几种主要滤波与分类 方法做了逐一介绍，分析了其基本原理、处理步骤及其应用范围和不足之处，最后详细论述了本文提出的 基于既有知识的渐近数学形态学方法的数学原理和处理过程，并选取了南京地区某一城市区域作为实验区 域对该方法进行了检验与评价。 第四章先从工业领域中的线形拟合技术概述开始。阐述了目前道路设计中的线形组合特点及组成公路 平面线形各部分的数学方程，简要说明了道路线形拟合的基本原理并回顾了传统的道路线形拟合技术和不 足之处，详细讨论了本文提出的基于l i d a r 技术的道路线形拟合技术其数学原理和处理步骤，将拟合方 法应用于实验数据，对其拟合效果进行了分析与评价，并针对l i d a r 数据的特点，改进三角网构网算法中 的数据预处理方法以便于实现对拟合道路的三维建模，最后对笔者通过o b j e c 删开发语言编写的嵌入式 道路拟合程序的处理过程和程序界面做了一简要介绍。 本文最后是对全文的回顾与总结，指出了本文所做工作的不足之处以及值得注意的问题，并对今后的 研究方向给出了建议。 2 第二章机载l i d a r 系统与t 程应用 第二章机载l i d a r 系统与工程应用 2 1l i d a r 系统的发展历程 l i d a r 系统是一种主动式对地观测系统，上世纪八十年代初首先由西方国家发展起来并投入商业化应 用。它集成激光测距技术、计算机技术、惯性导航技术( i m u ) 以及动态差分定位技术( d g p s ) 于一体， 该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全 新的技术手段，并具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点。 美国早在2 0 世纪7 0 年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术( k a u l a e t , 1 9 7 4 ) ，2 0 世纪8 0 年代期 间，激光测高得到了迅速发展，包括当时美国n a s a 研制的人气海洋l i d a r ( l i g h td e t e c t i n ga n dr a n g i n g ) 系 统( a o l a t o m o s p h e r eo c e a n l i d a r ) 以及机载地形测每设备( a t m ) 等机载系统。但机载空载激光扫描测高技 术直到最近十几年才取得了重人进展，研制出精确可靠的激光测高传感器。k r a b i l l ( 1 9 8 4 ) 对机载激光的 地形测量作了一定的研究并给出了测量结果，其后德国斯图加特大学摄影测量学院在1 9 8 8 年开始研究机 载激光扫描地形断面测量系统，荷兰测量部门也自1 9 8 8 年就开始从事利用激光扫描测量技术提取地形信 息的可行性研究。加拿大卡尔加里大学1 9 9 8 年进行了机载激光扫描系统的集成与实验，通过对所购得的 激光扫描仪与g p s 、i n s 和数据通讯设备的集成实现了一个机载激光扫描三维数据获取系统，并进行了一 定规模的实验，取得了理想结果。日本东京大学1 9 9 9 年进行了地面同定激光扫描系统的集成与实验，取 得了良好效果，该大学正在着手开展较大规模的研究工作此外，一些商业公司已推出了机载测量系统和 地面测量系统，如：瑞典的t o p e y e 机载系统，美国c y m 公司、法国r i e g l 公司的小璎地面系统等。随后 几年，随着相关技术的不断成熟，机载激光扫描技术得到了蓬勃发展，欧美等发达国家先后研制出多种机 载激光扫描系统，其应用范围也得到了空前的拓展。 目前，欧、美、加、日等国的十儿家高新技术公司开展了对三维激光扫描技术的研究开发。并已形成 了一定规模的新兴产业，其产品在速度、精度、易操作性等方面达到了很高的水平。如加拿大o p t e c h 公司 生产的a t l m 和s h o a l s 系列、美国l c i c a 公司的a l s s o 系列、瑞典t o p o e y e a b 公司生产的t o p e y e 系 列、德国i g i 公司的l i t e m a p p e r 系列以及法国t o p o s y s 公司的f a l c o n i i 系列等都是当前较成熟的商业系统。 综合起来，激光测量具有以下特点u ： 1 ) 快速性。应用激光采集技术进行目标空问数据采集，速度非常快，能快速获取大面积目标空间信 息和及时测定形体表面立体信息。 2 ) 不接触性。能不接触测量目标的表面三维信息，从而解决了危险区域、需要保护对象区域以及人 员不可达到区域的测量等。 3 ) 穿透性。激光能够穿透不太浓密的植被，到达目标表面，或者由于激光扫描技术在一瞬间得到大 量的采样点，这些采样点能够描述目标表面不同层面的几何信息。 4 ) 实时、动态、主动性。主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测自身发射出的光的反射来 得到目标信息，由于这一特性，使激光测量不受时间约束和空间约束。 5 ) 高密度、高精度。激光扫描技术通过对目标的直接扫描来描述目标特征，使用庞大的点阵和浓密 的格网，高密度、高精度的获取目标表面特征。 6 ) 数字化、自动化。直接获取数字距离信号，全数字特征，易自动化，可靠性好。 2 2 机载l i d a r 系统的组成与定位原理 l i d a r 系统就其系统组成来说，在数据获取方面像是一个测地系统，而在其数据后处理方面却更像是 摄影测量系统u 。e m m a n u e lpb a l t s a v i a s ( 1 9 9 9 ) 曾对机载激光扫描系统与传统摄影测量系统的异同作了分 析和比较u 引，认为相对于摄影测量，l i d a r 系统主要不同点在于：该系统属于主动测量而非被动测量；其 测量过程是针对随机点采样而1 f 整个区域；获取待测点三维坐标的方式是直接的而非间接：测量成果无图 像或低质量影像信息以及较强的小激光斑穿透能力( 如高植被覆盖区域) 。然而由于两个系统都需要配备 g p s i n s 和数字摄影测量传感器，这样就使得其在数据后处理方面有着相类似的方法和原理，同时传感器 的集成以及图像( 数字信号) 的处理和分析也是其共同研究的两大主题。并指出机载l i d a r 技术能带来 3 东南大学硕：t 学位论文 高密度和高精度地面测量数据，同时能自动高效快速获取地面信息，冈此将和传统的摄影测每技术产生激 烈的竞争，而且在一些领域必将部分地取代。但是在很人程度上，两种系统存在着互补性，这是由于机载 l i d a r 系统能做一些摄影测量所不能做的工作，而反之亦然。未来的发展方向是多种传感器的高度集成， 多源数据的融合处理，从而提高数据分类和物体识别的能力。机载l i d a r 系统同被动光学传感器及 g p s i n s 系统的集成将给整个摄影测量领域产生一场新的技术革命。 机载l i d a r 系统使 i 激光束作为传感载体，故而是一种主动的传感系统。其中有两种光束必须予以考 虑，即发射的激光束和其返同被接收的部分。从这个意义上讲，几乎所有的激光系统都是通过测量传感器 和地面裸鳝点之间的距离而实现的。如下图所示，一个典型的l i d a r 系统由以下几个关键部分组成：激光 测距单元、光学扫描仪和控制处理单元 图2 1 典型的机载激光扫描系统组成 2 2 1 激光测距系统 相对于微波雷达而言。激光在距离测量方面更具优势。换句话说，激光束的高能脉冲能实现短间隔发 射，并且通过使用小孔径，激光束的相对短的光波能被高度校准。基于激光的这些特点，很显然其能应用 于精确的距离测量。激光测距主要用到两个基本原理：脉冲测距和相位测距。相位测距使用连续发射的激 光束( c w ) ，而脉冲激光通常是一种能产生高能输出的电品体管激光，他们能被其它物体像氙闪光灯、 弧光灯、金属蒸气灯以及激光二极管等提升自身的能级。就脉冲激光来说，距离测量是由激光的传播时间 来决定的，通过测量激光在发射和接收之间的传播时间，地面反射物体与激光接收器之间的距离为： r：委甜(2-1) 2 式中 r 一地面反射物体与激光接收器之间的距离( m ) ； c 一光速( m s ) ； t 一为激光的往返时间差( s ) ； 2 2 2 扫描系统 机载激光扫描系统能连续获得一系列激光脚点的距 离信息，目前常用的机载激光扫描方式主要有线扫描、圆 锥扫描和纤维阵列扫描( 如图2 2 ) 。 通常线扫描方式所形成的地面激光脚点成“zj ，_ 字形， 圆锥扫描方式所形成的地面激光脚点成一系列有一定重 叠度的椭圆，而纤维阵列扫描方式则形成相互平行的扫 描线( 如图2 3 ) 。当然，激光系统对地面所形成的脚点 分布形式不仅与扫描方式有关，还取决于飞行方向、飞 行速度以及所测量区域的地形条件。 4 图2 2 几种典型的扫描方式 第二章机载l i d a r 系统与工程应用 7 s f l a o e d 圉 p a r a l l e lh n e s 圜 e l l i p i c a ls c ：】n 彦享忒 i 兰荽蠹 阍 兰囊 三薹蠹 兰藿 _ 一；= = ：l 二一 ! 耋= = = - - u j 兰歹 豳 。 图2 3 不同扫描方式获得的激光脚点阵列形式 2 2 3 定位定向系统 激光扫描仪仅仅是测量由激光发射孔所发向地面点的位于线阵列上的矢量，就一个给定的坐标系统 ( 例如w g 8 4 ) 来说，如果在任一时刻，激光扫描仪的定位和定向已知，那么所测点的三维坐标也就能够被获 得。因此，为了在一个给定的坐标系统中获得精确的距离测最，激光扫描系统必须有一个定位定向系统( p o s ) 来支撑。由于激光扫描系统的i 箭在测距精度能达到优于分米级的水平，因此p o s 系统的精度至少也应达到相 同的水平，这样的一个精度水平目前仅通过一个由动态差分全球定位系统( d g p s ) 和惯性测量装置( 1 m u ) 所集成的p o s 系统就可以实现。激光扫描测量的实现需要各个系统的精确同步以确保由不同系统在同一时 间所测量的数据能相互匹配。一般来说，由p o s 系统所测量的数据和由激光扫描系统所测量的数据是分别保 存在不同的设备中的，例如不同p c 机的硬盘，这就意味着存在两种不同的独立时间系统：相对于p o s 数据的 g p s 时间和相对于激光扫描数据的内部时间。为了消除两种不同时间系统的非同步性，机载激光扫描系统采 用一个软件模块来存储扫描数据并附加一个由中断信号所控制的时间数据。在第一次扫描开始，存储扫描 数据的p c 机将本地时间连接到数据流，与此同时，g p s 的每秒脉冲信号( p p s ) 与扫描系统的本地时间被分别 存储在不同的协议文件中。当机载g p s 接收器的p p s 信号触发中断请求，那么g p s 时间和本地时问就被存储 在同一瞬间以达到消除时间非同步性的目的。 2 2 4 对地定位原理 机载激光扫描系统在测量飞行之后可以产生两类基本的数据集：p o s 数据和相对于瞬时扫描角的激光 测距数据。假定p o s 数据的精度优于1 分米( 定位) 和0 0 2 8 度( 定向) ，那么一个固定在地面坐标系统的激光扫 描测量点就能被精确计算得到。在机载激光扫描的对地定位 计算中，有儿个主要的系统参数在测量之前必须予以标定， 即由惯性测量装置所测到的激光扫描仪的三个姿态参数( 多。 山，) 、扫描仪机架相对于固定飞行平台坐标系的三个安装 角h ( h e a d i n g ，航偏角) 、p ( p i t c h ，俯仰角) 、- ( r o l l i n g ，侧滚 角) ) 以及激光扫描仪与惯性测量装置、惯性测量装置与g p s 相位中心的定位。如图2 4 所示，假设空间中一点6 e 维坐标 ( 肠场历) 已知，若该已知点到待测点p 的模和方向余弦可 准确测得，则闩! 勺三维坐标( 尼肠2 可根据空间几何原理 唯一获得： 则 图2 4 机载激光扫描对地定位原理图 x p = xo + a x ，y p = r o + a y ，zp = z o + a z 若 r = f x ( p ，h ，口，s ) ，a y = b ( p ，h ，0 ，s ) ，z = 疋( p ，h ，口，s ) 5 东南火学硕士学位论文 x ，= f j ( xo ，y d ，zo ，p ，h ，口，s ) y ，= f r ( xo ，y d ，zo ，p ，h ，口，s ) 【z ，= ，z ( xo ，y口，zo，p，h。9，s)(2-2、 、_， 对于机载激光扫描测高系统来说已知点0 是扫描装置光学系统的投影中心点，其三维坐标( 尼汤) 由动态差分g p s 实时获得：机载激光测距仪测最投影中心到地面激光脚点间的距离s 、空中测鼍平台的三维 姿态角分别由激光扫描测距仪和姿态测量装置( 惯性系统i n s ) 同时测出；在一个扫描周期内，激光测距点p 对应的像元与扫描周期内中问像元( 即所谓的机下点) 之间的夹角为扫描角伊，由像元数差值与瞬时视场角 的积得出。上述彪磊只厄c 口，s 已知，则可以求出任意地面点p t 的三维坐标( 屁圪劫。 2 3 影响l i d a r 系统的误差源 机载l i d a r 系统的测量精度受到多种误差( 系统误差和偶然误差) 源的影响。其中系统误差的存在将 给激光脚点的坐标带来系统偏差，因而研究系统误差的特性及其它们对激光脚点坐标的影响有着重要的意 义，并为设计系统校验方法和设法消除这些系统误差的影响提供理论依据。 l i d a r 系统误差的产生来源主要有：定位误差( g p s 定位误差) 、测角误差( g p s i n s 组合姿态确定 误差和扫描角误差) 、测距误差( 激光扫描测距误差) 和集成误差，下面分别讨论各种误差源的产生机制。 2 3 1 激光扫描测距误差 1 ) 激光扫描测距仪器误差 激光测距的每一个工作过程都会带来一定的误差，但起主要作用的是电子光学电路对经过地面散射和 空间传播后的不规则激光回波信号进行处理、估计和时间测量带来的误差，分别有时延估计误差和时问测 量误差两类。此外还包括传感器激光信号发射与接收不平行( 可校正) 产生的误差；激光脉冲信号传播时 间的测量误差；反光镜的旋转、震动误差、脉冲零点误差等。仪器误差( 主要表现为常数误差) 可通过比 较利用激光测高和精密测量手段测量同一表面高度的差别来确定，一般在室内测定。 2 ) 大气折射误差 激光在穿过大气层时，同g p s 信号一样也要受到大气( x 0 流层) 折射误差的影响，其影响程度取决于 激光脉冲的波长，对同一种信号而言，大气折射误差主要与气温、气压和大气湿度有关。用于l i d a r 的激 光脉冲波长大约为1 微米，而g p s 载波信号的波长约为2 分米。因此，同g p s 信号相比激光脉冲信号受大气 折射的影响要小的多，天顶方向对流层延迟改正误差的绝对量只有几个毫米的量级，同目前激光测高的精 度相比要小的多，考虑简单的模型改正后，残余误差可以忽略。此外，对于波长很短的激光脉冲来讲对流 层有色散效应，有些系统还可以使媚双频激光消除大气折射误差的影响。 3 ) 同反射面有关的误差 激光脉冲信号照射地面时，由于地表物理特征的不同而产生不同的后向反射，当信号发生漫反射时出 现大量反射信号被接收，会形成较大的接收噪声；当信号照射到光滑物体表面便形成镜面反射，可能会造 成激光测距信号“丢失”；另外有的信号可能经几次反射后反射网去，这样测定的肘问延迟不能代表真正 的时间延迟。激光测高精度还与地面粗糙程度、地面坡度、地面物体的干扰( 如植被) 等有关。另外，被 水域覆盖的地方，红外激光大部分被吸收，只有少量被反射，如果碰剑静止水面就形成镜面反射，信号反 射不回去；地表不连续以及移动物体，如行人、车辆，动物等都会影响激光扫描测高的精度。 2 3 2g p s 定位误差 g p s 定位误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟钟差、接收机钟钟差、多路径效应、相位中心不稳定、 可视卫星几何图形强度、观测噪声、整周模糊度求解正确与否等。尽管g p s 定位误差较大，但它随着观测 环境的变化而不断变化，不容易消除或模型化。通常为了削弱g p s 定位误差的影响，采用的方法是在测区 内建立多个分布较均匀的基准站，保证g p s 动态定位解算时离基准站不会太远，如果建立了多个基准站， 还有利于改善大气误差改正模型。 2 3 3i n s 姿态测量误差 姿态误差是影响定位精度的最主要的冈素之一。主要包括设备安置误差、加速度计常数误差、加速度 6 第二章机载l i d a r 系统与工程应用 计比例误差、陀螺仪漂移、测鼙噪声、轴承间的非正交性、重力模型误差、大地水准面误差等。i n s 姿态 测茸误差可以通过降低飞行高度以减弱其对定位的影响。 2 3 4 动态时延误差 动态时延误差是由于定位系统和测距系统的数据采用率不一致所引起的目前定位设备的数据更新率 一般为2 h z ，而机载激光的重复频率可达到几百甚至几千赫兹。由此可见，机载激光测量系统普遍存在着 不同程度的时延效应，这种效应对高精度条带式测晕成果的影响有时是需要考虑的。动态时延误差包括两 个部分，一部分是由于激光测距和g p s 定位数据采集率不同引起的时延改正；另一部分是由于飞机的垂直 运动分量引起的附加改正( 如图2 5 ) ( 比前者更小) 。假设飞机飞行高度为1 0 0 0 米，最大扫描角为3 0 度， 那么激光往返的最大路径为：s = 2 1 0 0 0 x 2 1 7 3 2 2 3 0 9 米，传播时间为= $ c 7 7 微秒，设飞机飞行速 度为1 0 0 m s ，那么匕机在这段时间内的位置变化为p = 0 7 7 毫米。由此可见第二部分的动态时延误差在机 载激光测高中可以不予考虑。 2 3 5 二类高程误差 所谓的二类高程误差就是当地面起伏较大或有一定的坡度时，由于激光脚点平面位置的误差而产生的 高程方向的附加误差。假设激光脚点的真实位置( 实际不知道) 为( 肠劢；由于受到各种观测误差的影 响，由机载激光三维扫描推算出的位置为( zz 力。即： ( x ，y ，z ) 2 ( x o ，y o ，z o ) + ( e x ，e y ，e z ) 1 2 气、 由于平面误差的存在，使得激光脚点的位置由图2 6 中的( 彪动跑到( zz 力位置， 8 产手动p ，还有由平面误差形成的二类高程误差： e s2 e x t a n o + e yt a n 甲 式中 斜坡沿确h 方向的坡度角； w - - 斜坡沿嘲方向的坡度角。 t 先t 冲薹收时捌位置 图2 5 动态时延误差示意图图2 6 二类高程误差 高程误差除了 ( 2 - 4 ) 2 3 6 扫描角误差 扫描电机的非匀速旋转以及扫描转镜的震动等都会给扫描角带来误差。在实际应用中，一般进行扫描 测距的视场范围不是太大，约为3 0 9 到4 0 。如果转镜转速为口转秒，扫描视场范围为汐弧度，每行采 样点数为，则在以扫描行为单位的一个周期r = l 口中。每个采样点对应的扫描角都不是实际量测，而是 根据扫描视场范围口和每行采样点数计算出来的。因此相应要求扫描电机的匀速旋转，但设计时不能完全 保证匀速旋转，从而产生扫描角误差。 2 3 7 激光束发散角所产生的系统误差 前面的分析是将激光光束“细化”为一直线的理想情况。实际上激光光束都有一定的发散角，与不同 的目标表面作用时会产生不同程度的脉冲展宽从而增加测距的不确定性，使探测信号强度、信噪比与及探 测概率等旱随机性变化，影响测距仪的测量精度和性能。对于不同的系统，其影响情况可能有些差异，以 7 东南大学硕1 二学位论文 只记录首次回波信号的系统为例来进行说明。假设激光光束的发散角为j ，那么最人可能带来的角度误差 为y 2 ，其误著对测高的影响效果类似于扫描角误差。 2 3 8 系统集成综合误差 系统集成综合误差主要包括激光脉冲感应参考中心与g p s 天线相位中心偏心向量的测定误差、扫描角 测定误差、系统安置误差、位置内插误差( 简单线性内插即可) 、时间同步误差、地面参考站问的位置误 差、坐标系问的转换误差、g p s i n s 组合滤波模型误差等。三套数据采集系统( g p s 接收机、i n s 、激光测 距系统) 独立工作，各自的数据采样率不同，即实际数据采样不同步，处理时，需要将它们的时间系统统 一到标准u t c c o n i v e r s a lc o o r d i n a t e dt i m e ) 系统。一般g p s 数据采样频率为1 , - - , 2 h z ，i n s 数据采样率为8 5 0 h z ，而激光扫描测距的脉冲重复频率可达2 - - - 。2 5 k h z ，由于采样率不一样，根据采样率低的i n s 姿态数据 和g p s 位置数据内插出每个激光测距记录时刻的姿态和位置时，势必产生内插误差。 为了提高l i d a r 系统的测量精度，应最大可能地降低各种系统误差的影响，其方法一般有以下三种射： 1 ) 建立误差改正模型( e r r o rm o d e l i n g ) ； 2 ) 仪器检校( c a l i b r a t i o n ) ； 3 ) 平著改正( s t r i pa d j u s t m e n t ) 。 2 4l i d a r 技术的工程应用 机载激光雷达( l i d a r ) 传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地 形数据，具有传统摄影测量和地面常规测晕技术无法取代的优越性，引起了测绘界的浓厚兴趣。该技术在 地形测绘、环境检测、三维城市建模等诸多领域具有广阔的发展前景和应用需求，有可能为测绘行业带来 一场新的技术革命( 刘经南，2 0 0 3 ) 。 激光扫描技术是近几十年迅速发展起来的一项高新技术，西方发达国家已将这一先进技术用于对地观 测系统和快速获取特定目标的立体模型中，我国在8 6 3 计划中也重点支持了这一研究方向。目前，国际上许 多公司、研究机构已投入大量的人力和财力进行相关技术与系统的研究开发。机载激光三维扫描技术的研 究在国内还刚刚起步。北京遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载激光扫描测距一成像系统于1 9 9 6 年完 成了系统原理样机的研制，该系统还有别于目前国际上流行的机载激光三维扫描系统，它将激光测距仪与 多光谱扫描成像仪共用一套光学系统，通过硬件实现了d b i 雨l 遥感影像的精确匹配，直接获取地学编码影 像，但该系统离实用还有一段距离。武汉大学李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量系统，但还没有 将定位定向系统集成到一起，目前主要用于堆积测量。由于国内目前还没有高精度的i n s 系统以及性能( 激 光强度、激光功率、脉宽、测距精度) 可靠的激光扫描测距装置，所以，国内目前还没有成熟的机载激光 三维扫描系统用于工程实际。 随着机载激光三维扫描技术的不断成熟，其应用范隔不断扩大。美国、加拿大、澳大利- 咂、瑞典等国 为浅海地形测量发展了低空机载系统，比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光扫描水下地形测蹙系 统( s c a n n i n gh y d r o g r a p h i co p e r a t i o n a la i r b o r n el i d a rs u r v e y ，s h o a l s ) ，它采用激光雷达技术实施远距离 量测浅海深度并测绘海岸地带的地形，监测海岸侵蚀等。德国联邦政府测绘局( m a ) 1 9 9 4 年开始研究利用 激光扫描技术获取数字地形模型，获取地面真实正射影像，通过对数据进行滤波和分类，将地面点跟建筑 物或植被点分开。荷兰已在全国范围内利用机载激光测高技术建立数字高程模型( d e m ) ，采集数据的空间 分辨率已达到每1 6 m 2 就有一个采样数据。 l i d a r 技术目前主要应用于快速获取大面积三维地形数据，快速生成d e m 等数字产品，特别是用于测 绘森林覆盖地区和山区的真实地形图。但随着该系统硬件和软件技术的进一步完善，其应用领域也获得了 巨大的拓展。归纳起来，l i d a r 技术可以应用于以下儿个主要领域： 1 ) 线路或者管道等走廊带的地形测绘和设计 地形资料是公路勘测设计的重要基础资料之一，传统的公路勘测是依靠大量的工程技术人员在野外收 集、调查、分析、处理公路沿线平纵断面的数据。在交通不便、勘测难度大的高山、湖泊、森林等地段， 时间长、效率低、精度差。传统设计中，一般采用人工在测绘地形图纸上定线，然后根据路线来采集地形 数据。一旦路线方案改变，原来所采集的数据就无效，工时消耗很大。2 0 世纪中叶以后，随着计算机技术、 现代数学以及计算机图形学的迅猛发展，使得测绘学科逐步向数字化与自动化发展，从而使得道路工程师 8 苎三主! ! 墨! ! 坠! 墨壅! ! ! ：堡生旦 能利川数字地形，快谜高效的进行公路主线c a d 辅助设计，确保了选定方案的科学性、合理性，经济性( 幽 27 ) 。 隔 =7。二 、 量耋二二，釜，垒兰型! _ 图27l i d a r 技术在林区公路设计中的席j j 2 ) 道路交通运营与维护管理 科学的养护管理，可使高速公路保持优良的使用状态和服务水平，提高其经济效益和社会效益。为了 迅速地完成公路养护管理的各项任务，需要对 量的养护资料进行科学的分析。如果采用人 米处理这些 资料不但效率往低，而且不能保证它的科学性与台理性。随着信息技术的发展。有必要研究先进的养护管 理模式，通过科学的管理使高速公路的性能长期保持在一个比较高的水平为社会提供更好的服务。 建立以l i d a r 技术为基础结台3 s 技术的智能运输管理系统，可咀实现高速公路逗营期问的交通流量 调亢、预测t 恶劣- 天气( 大雾、雨雪等) 的汽车导航，交通事故报警，犀佳行驶路线等等，均可通过监控中 心与运营车辆进行联络计算机屏幕会自动显示车辆所处方位的电子地圈，显示车辆的地点、车身颜色、 7 驶速度、方向，并预测行驶路线和速度，如车辆被 f 或被劫，监控中心采取遥控熄火，使车辆无_ ；去行驶， 以实现交通运输的台理调度和管制，如图28 所示。同时，随着高等级公路网络的逐步建证和形成，对现代 公路的管理就需要先进的科学管理方法 l i d a r 技术系统对公路信息的获取、存储、检 索、分析、处理具有直观、动态的特点，是实 现公路管理现代化的重要手段。反映某一行政 区域内国道主干线、国道、省道盈县乡道路的 分布，途经主要城镇的路网信息、路况信息、 桥梁信息、附属设施信息及拈线管养机构信 息，通过3 s 技术系统米完成对公路信息的责 啕、显示、报袭等管理工作真正实现现代公 路管理的现代化、扶策的科学化、1 二