（大地测量学与测量工程专业论文）lidar系统成果分析及工程应用.pdf

摘要 摘要 地球空间信息技术是当今世界各国研究的热点之一，信息的获取、处理和应用是其研究的三大 主题。机载激光三维扫描技术可以直接获取高精度三维地表地形数据，具有传统摄影测量方法和地 面常规测量技术无法取代的优越性，引起了测绘界的浓厚兴趣。目前机载激光三维扫描技术的硬件 技术日趋完善，但数据后处理的研究还相对滞后，数据处理过程中的许多算法和模型不太成熟，亟 待发展。 本文首先介绍了机载激光三维扫描技术的原理，对l i d a r 系统的几何模型、坐标转换、误差分 析，精度指标等进行阐述，并提出一种新的基于四个坐标系统的几何模型，进而推导出相应的数学 模型和系统误差综合影响的关系表达式；然后研究了激光点的滤波和分类方法，对一种反复建立三 角网的滤波算法进行实践并给出评价；提出了一种重建d e m 的改进方法，克服了目前大多数方法 自动生成的线状地貌会呈现锯齿状的缺点；实地检验了l i d a r 系统生成d e m 的精度，得出在满足 一定测量条件的前提下，l i d a r 系统生成d e m 可满足1 ：2 0 0 0 地形图的精度要求；最后系统地建 立了3 d 城市模型，并且完成查询、量测、漫游等一系列功能；归纳了l i d a r 技术在道路勘测设计、 运营管理、普查中的应用方法；简要描述了l i d a r 系统在海岸测绘、林业、电力系统、灾害评估等 方面的应用。 关键字：机载激光三维扫描，滤波分类，d e m ，3 d 重建 a b s t r a c t a b s t r a c t g e o s p a t i a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi st h ef o c u sr e s e a r c hi nt h eg c o - s c i e n c ew o r l dp r e s e n t l y i n f o r m a t i o nc a p t u r i n g , p r o c e s s i n ga sw e l la sa p p l i c a t i o n 黜t h et h r e em a i ni t e l n s l i d a r ( l i g h td e t e c t i o na n dr i | i l g i l 1 9 ) i sc a p a b l eo fr 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 l g e o s p a t i a l i n f o r m a t i o n l a s e rp u l s ec a l lp a r t i a l l yp e n e t r a t et h ef o r e s tc a n o p y , a n dt h e t o p o g r a p h yu n d e rt h ec a n o p y c a nb ed e r i v e de a s i l y , w h i c hi si m p o s s i b l ef o rw a d i t i o n a ls u r v e y m e t h o d s s u c h 嬲p h o t o 铲a m m c t r ya n dp l a n es u r v e y i n gm e t h o d l i d a ri se x p e c t e d 协b r i n ga n e wr e v o l u t i o n a r yf o rs u r v e y i n ga n dm a p p i n g t h ep r o c e s s i n go fl i d a rd a t ai ss t i l li na n 搿匠yp h a s eo fd e v e l o p m e n t , b e 虻a l l s et h ea l g o r i t h m sa n dm o d e l sf o rd a t ap r o c e s s n ga 糟n o t r o b u s ta n da d a p t i v e s o t h ee m e r g e n c eo f r o b u s t , r e l i a b l ea i g o f i t h m st h a ta r ea v a i l a b l et ot h e e n t i r ec o m m u n i t yw i l lb eo n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n ta r e a so f c h a n g ei nt h ef u t u r e t h em a i ns t u n t sa n dc o n t r i b u t i o n s 粼d e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t , t h ep r i n c i p l ea n ds y s t e ms t n l g t u r eo f “d a ra 糟i n t r o d u c e d , a n db a s i cf o r m u l a sa s w e l la se r r o re f f e c t si nl i d a r 撇e l a b o r a t e di nt h et h e s i s an e wk i n do f p o s i t i o n i n gm o d e l i sd e v e l o p e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gf o r m u l ai sd e d u c e ds t e pb ys t e p s e c o n d , t h el i d a rf i l t e r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h ma r es t u d i e di nd e 乜d l si nt h e t h e s i s a r e p e a t - t r i a n g l e a l g o r i t h mu s e di nf i l t e r i n gi sp r a c t i c e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r e b r o u g h to u t s u b s e q u e n t l y , a ni m p r o v e dm e t h o do f r e c o n s t r u c t i n gd e m i sd e v e l o p e da n dt h e p r e c i s i o no f d e m i st e s t e d t h i r d ，a3 dm o d e lo ft h eu r b a ne n v i r o r t m e n ti sr e c o n s t r u c t e ds y s t e m a t i c a l l y ，a n ds o m e f u n c t i o n so ft h em o d e ll i k em e a s u r a b i l i t ya n dd e m o n s t r a t i o na r ea c c o m p l i s h e d s o m eo t h e r 拄髓so f i l ) a 轻箍砖d i s c u s s e d 。 k e yw o r d s ：l i d a r , f i l t e r i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n , d e m ，3 dr e c o n s t r u c t i o n 狂 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。 研究生签名。盔牟导师签名：型日 期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 本文结合国家8 6 3 项目“机载激光雷达数据处理软件平台( n o 2 0 0 6 a a l 2 2 1 0 1 ) ”展开研 究。 伴随着各种新兴的科学技术特别是计算机技术、空间技术和信息技术的迅猛发展，人类社会已 经步入信息时代。信息高速公路的架设、地球空间信息学( g e o - s p a t i a li n f o r m a t i o n i g e o m a t i c s ) 的产生和形成、“数字地球”( d i g i t a le a r t h ) 概念的提出，为测绘科学的发展提供了坚实 的基础、不可多得的机遇和明确的方向，同时也向该科学的进一步发展提出了一系列的挑战闭。 地球空间信息学是指以g p s 、g i s 、r s 等空间信息技术为主要内容，并以计算机技术和通讯技 术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用与地球及空间分布有 关的数据的- - f 综合、集成的信息科学和技术 9 1 。它是地球科学的一个前沿领域，以“3 s ”为代表， 包括通讯技术、计算机技术等新兴学科，是地球信息科学的重要组成部分，是数字地球的基础，是 当今世界各国研究的热点之一数据融合、数据挖掘、信息融合、系统集成和可视化虚拟现实技术 将成为它的关键技术热点。信息的获取、处理和应用是其研究的三大主题i s 。 机载激光三维扫描技术是激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体姿态测量技术( i n s ) 和 高精度动态g p s 差分定位技术迅速发展的集中体现i l q 。激光测距技术在传统的常规测量中就扮演着 非常重要的角色，从最初的有反射棱镜的测距仪系统发展到如今无合作目标的激光测距系统；g p s 定位技术的出现彻底解决了海陆空的定位问题；i n s 和g p s 的集成为确定高动态载体的姿态成为可 能。以上几种技术的成熟运用及相关技术的发展为整个系统的集成奠定了技术基础，机载激光三维 扫描技术实际上已经代表了对地观测领域一个新的发展方向整个系统比较复杂，就数据获取的方 式来讲更像大地测量系统( 通过测边、测角进行定位) ，就数据后处理的方式来讲却更像摄影测量系 统，包括地物的提取，建筑物三维重建等。 目前，欧、美、加、日等国的十几家高新技术公司开展了对三维扫描技术的研究开发，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 综合起来，激光测量具有以下特点删： ，( 1 ) 快速性。能快速获取大面积目标空间信息。应用激光采集技术进行目标空间数据采集，速度 非常快，可以及时测定形体表面立体信息，从而可以应用于需要自动监控的行业。 ( 2 ) 不接触性。能不接触测量目标的表面三维信息。这一特征解决了危险领域的测量、需要保护 对象的测量、人员不可达到位置的测量等。 ( 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。高密度、高精度的获取目标表面特征。激光扫描技术通过对目标的直接扫 描来描述目标特征，与人工技术不同，前者使用庞大的点阵和浓密的格网，采样点点距很小。 ( 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。 1 2 机载激光三维扫描技术的发展和现状 激光测高是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用。利用激光作为遥感设 东南大学硕士学位论文 各可追溯到3 0 多年以前，从2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代这段时期，人们进行了多项试验，结果都显 示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距，2 0 世纪8 0 年代期间，激 光铡高得到了迅速发展，包括当时美国n a s a 研制的大气海洋l i d a r ( l i g h t d e t e c t i n ga n d m g i n 曲 系统( a o l - a t m o s p h e r eo c e a nl i d a r ) 以及机载地形测量设备( 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大进展，研制出精确可靠的激光测高传感器，包括航天飞 机激光测高仪( s h u t t l el a s e ra l t i m e t e r ) 和火星观测激光测高仪( m a r so b s e r v e rl a s e ra l t i m e t e r ) 以及月 球观测激光测高仪( l u n a r o b s e r v e r l a s e r a l f i m e t e r , l o l a ) 。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。随后几年，随着相关技术的不断成熟， 机载激光三维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三维扫描系统， 其中主要包括：t o p s c a n 、o p t e c h 、t o p e y e 、s a a b 、f l i - m a p 、t o p o s y s 、h a w k e y e 等多种实用系统。 最近全球著名的测绘仪器生产厂家l e i c a 公司也推出了l i d a r 仪l e i c a a l s 4 0 据统计，截止2 0 0 3 年7 月份，全球约有7 5 个商业组织使用6 0 多种类似的系统，从1 9 9 8 年起，以每年2 5 的速度递增。 随着机载激光三维扫描系统的不断成熟，其应用范围不断扩大。美国，加拿大，澳大利亚、瑞 典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统，使用了机载激光测距设备、全球定位系统( o p s ) 、陀螺 稳定平台等设备，飞行高度5 0 0 - 6 0 0 m ，直接测距与定位。最终得到浅海地形( 或d e i v d 。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量系统( 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 l a i r b o r n el i d a rs u r v e y , s h o a l s ) 。该系统于1 9 9 4 年3 月正式投入使用。作业实践表明，机载激光 雷达( l i ：d a r ) 测深是一种经济有效的技术手段。美国h a r c ( h o u s t o na d v a n c e dr e s e a r c hc e n t e r ) 的激 光雷达地形测量系统，d 9 4 年己做了飞行试验，飞行高度6 0 0 m ，最终产品的飞行高度为1 6 0 0 1 7 0 0 m ， 采用扫描激光测距方式，利用全球定位系统( g p s ) 作定位，姿态测量装置据估计是惯性测量元件 ( i m u ) 。据了解，这种系统标称能“隔夜”提供d e m ，显然生成d e m 的速度比常规技术要快若干 倍。该系统可实现准实时遥感信息的定位并生成d e m ，效率将比现有信息获取技术提高约几十倍。 德国联邦政府测绘局( s 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。现在德国已有几个州的s m a 部门进行了用激光数据生成高质量d t m 的试验。结果都很理想，特别是在林区，所达精度甚至优 于摄影立体编辑法获得的精度。 机载激光三维扫描技术的研究在国内还刚起步。北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光扫描 测距一成像系统于1 9 9 6 年完成了该系统原理样机的研制i l q 鼋女系统还有别于目前国际上典型的机载 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d e m 和 遥感影像的匹配，直接获得地学编码影像，但该系统离实用阶段还有一段距离。正如李树楷教授在 书中写到“具有高效特色的机载激光影像制图系统的原理样机己经完成了。距实用化尤其是形成产 品尚有一段距离，缩短这段距离不仅是技术上需要时间，更重要的是要为专家所接受。要为科技发 展的决策者所接受，要为社会所接受，这种非技术因素比技术难度更复杂、更困难，需要时间更长。” i l ”。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，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 2 0 1 。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，国内目前还没有成熟的机载激光三维扫描系统。 国家“8 6 3 ”计划也支持这一技术的研究，项目研究内容主要集中在机载激光影像制图系统的设 计、制造和数据处理。其信息获取子系统“机载激光测距一扫描成像制图系统一集光机扫描成像技 2 第一章绪论 术、激光测距技术、g p s 导航定位技术、姿态测量技术等于一体，通过硬件实现扫描图像与d e m 的同步与严格匹配。利用距离信息配合图像信息进行特征分类与识别。该系统由5 个遥感器组成， 工作波段覆盖了可见光、红外和微波整个系列，平台采用高中低空飞机构成面向应用目标的分布式 系统。其中机载三维成像仪是将光机扫描激光测距仪、光电成像遥感器、高精度姿态测量装置及全 球定位系统四项独立的技术，依据新的设计思想，高度集成的航空遥感技术系统。该机载对地观测 系统的应用以在国内进行了试验。机载三维成像仪原理样机在东胜煤田自燃区、托可托县南露天矿 开发区、固县重金属矿区、呼和浩特市区和北京九里山区等地飞行约3 7 0 k n l 2 。该试验得到如下结论： 该系统的特点是快速、准实时、无( 少) 地面控制点，同时获取三维信息。在同样条件下，生成同 样的d e m 和正射影像与常规遥感、摄影测量方式的比较如表1 1 所示。 表1 1 不同观测技术的比较 比较项目 机载激光三维扫描技术 常规遥感、摄影测量技术 作业步骤需三维成像仪一个需成像仪3 个 人工劳务量在差分g p s 情况下需5 的人工劳务量需8 0 以上 效率当天飞行数据4 8 小时处理4 5 个月 对于三维激光扫描系统，不同文献会出现不同的名称，归纳起来主要有以下几种：机载激光测 高( a i r b o r n el a s e ra l t i m e t r y , a l a ) 机载激光三维扫描( a i r b o r n el a s e rs c a n n i n g a l t i m f y a y , a l s a ) ；机 载激光地形测绘( a i r b o r r l el a s e rt o p o g r a p h i cm a p p i l l 舭i r b l a t e m l j nm a p p i n 舀a l t m ) ；机载激 光测量系统( a i r b o m cl a s e rm a p p i n g , a l m ) , 机载激光扫描测量系统( a i c o o r n eia s 日s c a n n i n g , a l s ) ； 激光测高( l a s e r a l t i m e t r y , l a ) 本论文中称为激光测距雷_ 迭( l i g h t d e t e c t i o n a n d r a n g i n g ，l i d a r ) 。 1 3 本文的主要研究内容 机载激光三维扫描技术是一种全新的测量方式，其数据后处理部分发展还不成熟，很多学者还 在不断的研究探索。本文旨在研究以下几个方面的内容： ( 1 ) 深入研究激光三维扫描技术( l i d a r ) 的原理。l i d a r 技术是一种安装在飞机上的机载激光 探测和钡0 距系统，是g p s ( 全球卫星定位系统) 、i n s ( 惯性导航系统) 和激光测距三大技术的集成 应用系统。其测量原理复杂，包括三大系统各自的工作原理及相互协调等方面。本文对l i d a r 系统 的几何模型、坐标转换、误差分析、精度指标等进行阐述并提出一种新的几何模型，进而推导相应 的数学模型和系统误差综合影响的关系表达式。 ( 2 ) 深入研究激光点的滤波和分类方法，对一种反复建立三角网的滤波算法进行实践并给出评价； 对重建d e m 的方法进行改进，并通过外业测量同名点检测l i d a r 系统生成d e m 的精度。 ( 3 ) 讨论l i d a k 技术的应用。l i d a r 技术凭借其快速获得地形点坐标，高效生成d t m ，并能同 时获取测区的影像图等优势，应用领域广泛。本文旨在系统建立3 d 城市模型，尝试完成查询、量 测、漫游等一系列功能，并总结建模过程中遇到的问题；归纳l i d a r 技术在道路勘测设计、运营管 理、普查中的应用方法；简要描述l i d a r 系统在海岸测绘、林业、电力系统、灾害评估等方面的应 用。 3 东南大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章l i d a r 技术原理 激光三维扫描测量可以快速获得物体表面每个采样点的空间立体坐标。但要完成此任务，必须 研究计算模型、误差模型，即确定从传感器获得的原始数据到最终结果的映射关系，以及引起误差 的原因、误差的传播、对结果的影响、误差的矫正和消除，再确定有关的计算公式及相应的算法， 然后编程。 l i d a r 技术原理比较简单。激光脉冲测距仪安置在飞行器上，该设备通过记录激光脉冲从发射 经地面目标物反射到接收的时间延迟后乘以光速c ，可精确测得发射点到地面反射点( 激光脚点) 的斜距p ；与此同时惯性导航系统( i n s ) 测定飞行器在空间的姿态参数：侧滚角、仰俯角、航向 角；g p s 提供飞行器精确的位置信息。在后处理过程中，联合i n s 确定的姿态信息，g p s 测定的飞 机航迹信息以及激光脉冲测定的倾斜距离可求出每个激光脚点精确的三维空间直角坐标( x ，y ，z ) 。 通过扫描，就可获得具有一定带宽的大量地面点的三维坐标。 2 2 激光扫描测距概述 2 2 1 测距原理 目前激光测距仪进行距离测量时有两种量测模式：一种脉冲测量模式；另外一种是基于相位差 的测量模式，即通过测量发射信号和目标反射回波信号间相位差测距。相位差测距模式使用的是连 续波( c o n t i n u o u sw a v e ，c w ) 激光。脉冲式激光测距与c w 激光测距这里不再详述。鉴于目前绝大 部分机载激光三维扫描系统的激光测距都采用脉冲式测距。本论文如未特别说明，只讨论脉冲式测 距。脉冲式激光测距公式如下： 2 三c f ( 2 1 ) 舻j 。 2 1 驴三c c z 式中：p 为激光发射点到反射点之间的几何距离； a p 为激光测距的距离分辨率； c 为光速： t 为激光脉冲往返时间； f 为测距系统的测时分辨率。 激光脉冲信号传播时间是通过计时器来测量的，计时器由一个极其精确的时钟控制。电子时间 计时器的分辨率可达1 0 p s ，控制计数器的原子钟具有很高的长期和短期稳定度，特别是铷原子钟或 铯原子钟以及氢原子钟。电子时间计时器的测时分辨率主要取决于激光脉冲信号的脉宽，另外激光 回波信号由于外界干扰的影响发生了畸变也会影响测时精度。如果要使a p l m m ，那么必须优 于6 6 p s 。比如第三代激光系统的脉宽为o 1 0 2 u s ，测距精度为1 3 c m ，具有测距精度为1 3 m m 的新一代激光系统己经研制成功。然而，对机载激光对地观测系统而言，激光测距系统的测距分辨 率高低并不很重要，因为在绝大多数情况下，测距分辨率要比测距精度小得多。有关脉冲式激光测 距和连续波激光测距的精度分析、测距分辨率、激光功率大小、激光能量、信噪比和激光测距系统 的最大测程、最小测程等问题本节不作重点介绍。 4 第二章l i d a r 技术原理 2 2 2 扫描方式 一束激光脉冲一次回波信号只能获得一个激光脚点的距离信息，为了连续获得具有一定带宽的 一系列激光脚点的距离信息，通常需要借助一定的机械装置。通过扫描的方式进行作业。目前常用 的扫描方式通常有三种：线扫描、圆锥扫描、纤维光学阵列。线扫描系统激光脚点在地面形成“z ” 形；圆锥扫描系统激光脚点在地面形成一系列有一定重叠度的椭圆；纤维光学阵列扫描激光脚点在 地面形成相互平行的扫描线( 见图2 1 ) 。当然地面激光脚点系列在地面的分布形态不仅取决于系统使 用的扫描方式还取决于飞行方向、速度以及地形条件等因素的影响。本节的公式推导仅以线扫描系 统为例，对于另外两种扫描方式，只要稍加修改可进行类似分析。 图2 - 1 不同扫描方式获得的激光脚点阵列形式 2 2 3 激光回波信号的多值性 激光脉冲达到物体表面一般发生漫反射后有其中一部分的激光脉冲被反射回去。激光光斑又具 有一定的半径大小，可以想象，同一束激光脉冲可能有多个回波信号被接收系统所接收，特别是当 激光束穿过植被时，同束激光可能碰到树叶而反射回去，可能碰到树枝而反射回去，可能碰到树干 而反射回去，还有可能碰到地面而反射回去并由系统接收，它们到达接收系统的时刻是不同的。有 些系统只能记录最先到达的脉冲信号，有些系统可以记录最先和最后到达的脉冲信号，还有系统甚 至可记录多次不同时刻到达的同一束发射激光的回波信号。利用激光回波信号的多值性这一特点， 能设计出用于测定森林植被参数的激光扫描测高系统。当然，系统只能以一定的距离分辨率记录同 束激光的不同回波信号，譬如t o p o s y s 系统所能区分的回波信号问的最小距离为6 0 c m ，有时称之为 测距的不确定性。在现实世界里有许多地物的地面高度要小于6 0 c m 。当同柬激光的一部分能量被这 类地物反射回去，而有部分能量被地面反射回去，两次回波脉冲信号相隔太近。以至系统无法区分， 也就是说如果系统记录了由这地物反射回去的回波信号，就无法同时记录由地面反射回去的回波信 号，反之亦然。 2 3 现有的l i d a r 系统几何模型 2 3 1 基于七个坐标系统的几何模型 在建立机载激光三维扫描几何模型之前，定义七个坐标系统，随后的定位计算，误差分析以及 5 东南大学硕士学位论文 系统安置参数的检校都是建立在此基础之上的m 。 ( 1 ) 瞬时激光束坐标系 原点o ：激光发射参考点； x 轴：指向飞行方向； y 轴：x y z o 构成右手系： z 轴：指向瞬时激光束方向。 ( 2 ) 激光扫描参考坐标系 原点o ：激光发射参考点； x 轴：指向飞行方向； y 轴：x 卜由构成右手系； z 轴：指向激光扫描系统零点( 扫描角为零) 。 ( 3 ) 载体坐标系 原点o ：飞机纵轴和横轴的交点； x 轴：指向机身纵轴朝前； y 轴：垂直于x 轴，指向飞机的右机翼； z 轴：垂直向下，x y z - o 构成右手系。 “) 惯性平台参考坐标系 原点o ：位于惯性平台参考中心。坐标系框架按惯性平台内部参考标架定义( i m u ) ： x 轴：指向机身纵轴朝前； y 轴：垂直于x 轴，并指向飞机的右机翼： z 轴：垂直向下，x y z - o 构成右手系。 ( 5 ) 当地水平参考坐标系( 地球切平参考坐标系) 载体姿态角是相对于当地水平参考坐标系测定的； 原点o ：位于某一天线的相位中心( 航迹) ； x 轴：指向真北； y 轴：指向东，x y z o 构成右手系； z 轴：沿椭球法向量反向指向地心。 ( 6 ) 当地垂直参考坐标系 原点0 ：位于某一天线的相位中心( 航迹) ； x 轴：指向真北： y 指：向东，x y z - o 构成右手系： z 轴：平行于大地水准面的法向量向下( 垂线) 。 ( 7 ) w g s 8 4 坐标系 原点o ：地球质心： x 轴：指向格林尼治中央子午线同赤道的交点； y 轴：指向东，x y z - 构成右手系； z 轴：指向真北极。 机载激光三维扫描对地定位中的坐标转换顺序是：瞬时激光束坐标系一激光扫描参考坐标系一 载体坐标系一惯性平台参考坐标系一当地水平参考坐标系一当地垂直参考坐标系一w g s 8 4 坐标系。 2 3 2 基于三个坐标系统的几何模塑 机载激光三维扫描几何模型定义在三个坐标系统_ p _ 0 j ： ( 1 ) 像空间坐标系 原点0 ：激光器扫描中心； x 轴：指向飞行方向； 6 第二章l i d a r 技术原理 y 轴：垂直于x 轴指向载体左侧； z 轴：垂直于xy 轴的平面。 ( 2 ) 物方空间坐标系 原点o ：地方某国家控制点； x 轴：指向东方； y 轴：x y z o 构成右手系； z 轴：与过原点椭球法线重合且向上 ( 3 ) 物方空间辅助坐标系 原点0 ：激光器扫描中心； x 轴、y 轴、z 轴：分别平行于物方空间坐标系的三轴。 基于三个坐标系统的数据转换方法与航测中常用的数据转换方法有相似之处，坐标转换顺序是： 像空间坐标系一物方空间辅助坐标系一物方空间坐标系。 2 4 基于四个坐标系统的几何模型 本文作者分析了已有几何模型的利弊： 基于七个坐标系统的几何模型细致精确，坐标系之间的转换一目了然，对于研究者理解机载激 光三维扫描的原理很有帮助。但是在实际应用中，这种数据转换的方法需要一些已知参数值，如垂 线偏差、经纬度等，必将给数据解算带来负担；而且测量者大都需要测量点在地方坐标系中的坐标， 这种方法最终提供的是测量点在w g s 8 4 坐标系中的坐标，在生产实践中应用略有不便。 基于三个坐标系统的几何模型简单抽象，但是这种坐标系统不利于分析误差对测量结果的影响， 也不利于进行误差改正。 本文提出了一种基于四个坐标系统的几何模型，这种模型既可以利用在生产中，又可以反应出 数据传递的原理及误差影响，并方便进行误差改正。 2 4 1 坐标系统 本文定义了如表2 1 所示的四个坐标系： 表2 1 本文定义的四个坐标系 载体坐标系物方空间坐标系物方空间辅助 w g s 8 4 坐标系 ( 地方坐标系)坐标系 原点o激光发射参考点地方某g p s 天线的地球质心 国家控制点相位中心 指向格林尼治 x 轴飞行方向 指向真北极指向真北极 中央子午线同赤 道的交点 y 轴垂直于x 轴指向指向东，x y z - o指向东，x y z - o指向东，x y z - o 载体右侧构成左手系构成右手系构成右手系 垂直向下，与过原点椭球与过原点椭球 z 轴 x y 压o 构成法线重合且向上法线重合且向下 指向真北极 右手系 7 东南大学硕士学位论文 2 4 2 激光三维扫描的几何关系 1 ) 测点在载体坐标系中的坐标 l i d a r 系统中，激光器扫描方向应设置与载体飞行方向垂直。如果某一瞬间激光扫描测距测得 的激光发射点到目标( 激光脚点) 间的距离为p ，那么，根据前面对坐标系的定义，此时激光脚点 在载体坐标系中( 如图2 - 2 ) 的坐标( t ，雎，之) 7 为： 艺 y z 之 o p s i n p p e o s 0 式中，p 一观测距离；口一激光束与z 轴的夹角( 波束角) ，由激光编码器记录。 载体横截面 ( 2 3 ) 图2 - 2 载体坐标系横截面示意图 但是在实际移动过程中，有时需要在纵轴偏向一个角度，即在z 轴方向( 纵向) 的偏角( 如 图2 - 3 ) ( 该值根据测绘环境进行调整，一旦调整好，则在测绘过程中为定值) 。 载体侧截面 图2 - 3 激光束纵向偏角示意图 考虑到角，即绕y 轴旋转，旋转矩阵为m 口，即： m b = c o s , o 0 s i n p olo s i m o0e o s p 则扫描点在载体坐标系中的坐标( 如图2 - 4 ) 为： 8 ( 2 4 ) 第二章l i d a r 技术原理 m 斟 三巍习 旺s ， 图2 - 4 考虑纵向偏角的载体坐标系示意图 2 ) 载体坐标系到物方空间辅助坐标系 载体坐标系的原点激光发射参考点与物方空间辅助坐标系的原点g p s 天线相位中心不重合，存 在偏心量，= ( 吒g ，蟛，莓) 1 ( 如图2 - 5 ) ，该偏心量可以在作业之前事先测定。惯性姿态测量系统( i n s ) 测定的三个姿态角( 如图2 - 6 ) ：侧滚角( r o l l , r ) 、仰俯角( p i t c h , p ) 、航向角( h e a d i n go ry a w , h ) 提供了由载体坐标系到空间物方辅助坐标系的三个旋转角。那么，激光脚点在物方空间辅助坐标系 中的坐标 ，y ，2 r ) 1 为： 式中： 令： 抖斟团 螈= m ( 田m ( p ) m ( r ) 榔，怯0 删，= 【c 警o s h 则：a l = c o s h c o s p a 2 = 一s i n h c o s r + c o s hs i n p s i n r a 3 = s i n h s i n r + c o s h s i n p c o s r b l = s i n h c o s p b 2 = c o s h c o s r + s i n h s i n p s i n r 9 rc o s p m ( 尸) f - l 0 【一s i i l 尸 ( 2 6 ) ( 2 7 ) i 伊q 明一 咖。瞄。篡 o o 1 日h 西奶西 要眠。 倥2 2 啦洲 以娩以m 乩d ，f1 东南大学硕士学位论文 b 3 = s i n h s i n p c o s r c o $ h s i n r c l = 一s i n p c 2 = c o s p s i n r c 3 = c o $ p c o $ r 图2 - 5 载体坐标系与物方空间辅助坐标系的关系 图2 - 6 惯性姿态测量系统( i n s ) 测定的姿态角 3 ) w g s 8 4 坐标系到物方空间坐标系 该步骤的目的是解算w g s 8 4 坐标系与物方空间坐标系之间的转换参数。转换参数一般是利用 重合点的两套坐标值，通过一定的数学模型进行解算。若已知地面上至少3 个控制点的两套坐标， 就可以利用布尔萨( b u r s a ) 7 参数法进行转换。地面控制点的两套坐标均可通过常规测量获得。 设j 和分别为地面网点和g p s 网点的参心和地心坐标向量。由布尔萨模型可知： h = a x + 0 + k ) e ( c z ) r 皤) r ) ( 2 8 ) 式中：毛= ( 如，毛) ，以。= ( 扎，匕，) ，鲥= ( a x ，a y , a z ) 是平移参数矩阵； k 是尺度变化参数。 r ( 乞) = r ( 气) = c o s 占zs i n e z 0 一s i n e z c o s t z 0 oo1 1o0 0 c o s e xs i n c x 0 一s i n e xc o s t x ，r ( 唧) = c o s e r0 一s i n 勺 01o s i n e r 0 c o s e r 为旋转参数矩阵， 1 0 第二章l i d a r 技术原理 通常将x 、】，、a z 、k 、占f ，矗、乞称为坐标系间的转换参数。 为了简化计算，当k 、f f 、唧、乞为微小量时，忽略其间的互乘项，e c o s e “l ，s i n s f ， 则上述模型变为： x e 磊 x j ， z lh + ( 1 + 七) l i 毛 令r = ( 醚，a y , a z ，k ，白，勺，毛) 7 ， e = + 100 x h i0 一z 聃? k t 010 k ? z h t 0 一x m 。 0 01 z n t tx n l 0 o s z 矗 乞 0 8 x 一y x o x h j k 瓦 ( 2 9 ) 上式可简写为：- = 瓦。+ g 五 ( 2 1 0 ) 通过上述模型，利用重合点的两套坐标值j 和j k0 = l ，2 ，) ，采取平差的做法可以求得 转换参数。求得转换参数后，就可以利用上述模型对其它g p s 点进行坐标转换。对于重合点来说， 转换后的坐标值与已知值有一差值，其差值的大小反映转换后坐标的精度。其精度与被转换的坐标 精度有关，也与转换参数的精度有关。 4 ) 物方空间辅助坐标系到物方空间坐标系 物方空间辅助坐标系的原点即g p s 天线相位中心，可以实时获得其在w g s 8 4 坐标系中的坐标 ( ，) k ，2 科d ) 2 ，通过上述转换模型，可得到该点在物方空间坐标系中的坐标( ，) k ，z 峋) 2 两个坐标系的x 、y 方向互相平行，z 方向相反( 如图2 - 7 ) ，可以得到激光脚点在物方空间坐标系 中的坐标( ，儿，乙) 1 为： 其中：肘o 。，= lo o olo ool 卸 蜥 知 = m _ f x f 了 z | + 2 碗 图2 7 物方空间辅助坐标系与物方空间坐标系的关系 ( 2 1 1 ) 东南大学硕士学位论文 5 ) l i d a r 系统的综合几何模型 综合式( 2 i ) ( 2 9 ) ，得激光脚点在地方坐标系下的坐标为 南 y w 知 = 肘o 。， m n m b 【 o p s i n o p c o s o + 。 妇。 铂。 + c o r ( 2 1 2 ) 用向量形式来表示： 昂= 1 0 。 j l “( 坞一，) + 弓b + c ；胄】 ( 2 1 3 ) 式中： 昂= ( k ，) 0 ，乙) 7 是激光脚点在地方坐标系下的坐标； = ( 艺，此，乞) 7 是激光脚点在载体坐标系下不考虑纵向偏角时的坐标； 气= ( 硝。，钆，2 斟d y 是载体上g p s 相位中心在w g s 一8 4 坐标系下的坐标； 肘一。，是物方空间辅助坐标系到物方空间坐标系的旋转矩阵； 螈是载体坐标系到物方空间辅助坐标系的旋转矩阵； 如是载体坐标系中考虑纵向偏角时的转换矩阵； ，= ( ，西，巧) 7 是激光发射参考点与g p s 天线相位中心的偏移量； c r o 是与c p s 天线相位中心有关的从w g s 8 4 坐标系到物方空间坐标系的辅助矩阵； r = ( a x ，y ，z ，k ，矗，勺，乞) 1 是从w g s 8 4 坐标系到物方空间坐标系的参数向量。 2 5 基于四个坐标系统的几何模型应用实例 笔者结合激光扫描测距数据( 含扫描角) ，g p s 动态定位数据以及i n s 确定的姿态参数，根据 2 4 节中的综合几何关系，利用m a t l a b 软件编程求得激光脚点的地方坐标。 表2 2 给出了求解出的部分激光脚点坐标数据样例。 表2 2 求解出的部分激光脚点坐标数据样例 北坐标x ( m ) 东坐标y ( m ) 正高h ( m ) 1 2 8 5 4 6 9 81 3 9 2 2 2 2 82 7 9 9 1 2 8 5 4 6 4 41 3 9 2 2 1 0 12 7 7 0 1 2 8 5 4 6 5 61 3 9 2 2 2 1 0 2 7 9 3 1 2 8 5 2 4 1 71 3 9 2 1 9 6 6 2 8 7 3 1 2 8 5 2 5 8 01 3 9 2 2 0 3 92 8 7 3 1 2 8 5 2 5 7 21 3 9 2 1 9 3 42 8 7 5 1 2 8 5 6 2 8 71 3 9 2 2 4 0 52 9 1 3 1 2 8 5 6 3 1 9 1 3 9 2 2 3 8 42 9 0 4 1 2 8 5 6 3 1 31 3 9 2 2 3 3 02 8 9 0 们川 蟛孝 第二章l i d a r 技术原理 2 6 影响l d a r 系统的误差源 l i d a r 系统会受到多种误差( 系统误差和偶然误差) 源的影响，系统误差会给激光脚点的坐标 带来系统偏差。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，为设计系统 校验方法并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 的产生机铜 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 误差和时间测量误差两类。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