机载激光地形测绘系统的偏差来源探究及消除方法,地质测绘与测量论文

发布时间：2015-02-02 16:46

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
经过几十年发展，地球空间信息科学已经成为一门具有坚实的理论基础和广泛应用的综合型学科，空间数据与其他专业数据相融合，可多个领域提供了全方位的技术支持和信息服务，如资源调查与开发、环境监测与分析、灾害监测与评估、城市发展、智能交通等，它改变了诸多行业的运行方式，大大推动了社会经济的全面发展。在 20 世纪90 年代前，传统的空间信息测量主要是航空摄影测量，摄影测量技术发展成熟，飞行带宽宽、覆盖面积大、可利用的传感器很多，如多光谱、线阵 CCD，尤其在裸露地区，能获得高质量的 DTM，但是摄影测量容易受天气影响，数据处理自动化程度低，很难靠图像匹配算法，图像拼接算法等各种高级图像处理技术让其全自动处理，一般需要人工干预，因此，80 年代，逐渐兴起新型测量方式：机载激光地形扫描，它是利用全局测量单元 GPS 和局部测量单元激光扫描仪，再配合其他传感器如 IMU 测得实时姿态来获得地面的三维空间坐标。激光扫描系统能全天候采集数据，容易实现数据处理自动化，而且在高于 1KM 的高空下，只要姿态精度高且有足够的激光回波能量，获得的精度比摄影测量要高(Baltsavias,1999b[1])。而且当完成相同的任务，激光系统的实现成本仅为摄影测量的 25%~33%[2]。
正因为机载激光系统的诸多优势，现已被应用于多个领域：
1）带状地形测绘，例如石油管道铺设，河道探测，海岸测绘，道路勘探等。
2）灾害调查与环境监测，如 911 事件美国就利用机载激光系统动态监测世贸大厦的废墟，能快速、准确的评估灾害的损失[3]；自 1993 起，美国宇航局先后两次测量了格陵兰冰原厚度，从而计算冰川的融化速度和海平面上升情况[4]；对森林扫描，对数据处理以分类，可估算森林中树高、树种量，可检测植物的生长情况[5]。
3）城市建模，现在数字地球、数字城市已成趋势，而激光系统能很快的重建房屋的3D 模型，而且配合图片纹理，可提供类似 Google 或腾讯街景似的虚拟现实[6]。
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1.2 机载激光雷达系统研究及发展状况
20 世纪 70 年代美国的阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术，80 年代间，NASA研制出大气海洋 Lidar 系统 AOL 及机载地形测量设备 ATM，但直到最近十几年，激光测量技术才取得了重大进展，测量传感器越来越精确、可靠。这期间有航天飞机激光测高仪，火星观测激光测高仪，月球观测激光测高仪。
真正将激光雷达用于地形测量的是 1984 年 Krabill 等的研究[7]，而 1988 年德国斯图加特大学开始研究地形断面测量系统，荷兰也自起开始研究激光测量提取地形信息的可行性，而在 1994 年美国 HARC(Houston Advanced Research Center)通过融合 GPS/INS，激光扫描仪等传感器实现了一个机载激光三维数据采集系统，飞行高度 600 米，已经能隔夜生成 DEM，比传统技术快几十倍。同年德国联邦政府测绘局开始研究对数据进行滤波和分类，分理出建筑物模型和数字地面模型。1999 年，东京大学构建了一套地面激光扫描系统。近几年国外学者对不同平台不同领域进行了更深入的研究，卡耐基-梅隆和斯坦福大学基于小型无人直升机，已成功进行了低空数据采集和建模的研究[8]，但是获得数据的精度不高。Giovanni Gigli 等利用车载激光系统获取岩体结构的高精度点云数据，根据数据可很容易进一步获得岩体的体积、规模依赖粗糙度等参数。Pedro 等同样利用车载激光系统获取文化遗址的三维数字模型，融合摄像机的图像信息，重建了遗址的真实模型[9]。NASA 于 2003 年发射了星载激光测高卫星，可用其测量两级冰川地形及其随时间的变化，研究大气层的垂直结构，为探索中长期的气候变化提供数据。
相比国外，国内对机载激光雷达测量的研究起步较晚，1996 年中国科学院遥感应用研究所的李树楷教授等完成了机载激光扫描测距-成像系统的研制，且与普通的激光系统不同，它的激光测距仪和多光谱扫描成像仪用的是同一套光学系统，因此能靠硬件将DEM 和影像实现精确匹配。2000 年，武汉大学的李清泉[10]教授等研制了一套地面激光扫描测量系统，该系统尚未集成定位定向功能，目前主要用在堆积测量。
我国现在也十分重视激光测量系统的研制，如电子工业部、科技部、中国科学院等单位已经着手研发星载或机载激光雷达系统，中国测绘科学研究院、武汉大学等单位正在引进机载小光斑激光系统，广西桂能有限公司于 2005 年 11 月引进了 RIGEL 公司的5600 系列，能快速获取三维激光数据和影响数据等地理空间数据，为数字电网、数字交通、数字化变电站等行业提供快捷、高效的解决方案，为建设工程提供从规划、勘察、设计、施工、运营管理和决策等各个环节全流程、一体化的解决方案[11]。
本文构建的机载激光雷达数字地形测绘系统基于小型无人直升机，重量轻、体积小，具有悬停，低空贴地飞行等优点，在进行地形测绘时，对获取高分辨率高密度的三维地形点云信息有着巨大的优势。通过自主设计实现的多传感器数据融合技术，能够获取较高精度的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。
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第二章 机载激光系统的软件实现

2.1 设计总体架构
系统设计目标是要求构建快速，性能稳定，成本低，且具有良好的可扩展性，预留一定的资源，方便改进、完善，最后系统整体架构如下：

在图 2-1 中，上框图指搭载在飞机上的硬件模块，下框图指地面站软件处理部分，其中地面站软件平台基于 Fedora14 系统，GTK 图形窗口，GTK 作为优秀的基于 C 语言的跨平台的 GUI 应用程序框架，提供了丰富的类库包含网络通信、文件操作等，且可方便集成 OpenGL，是一套现代化的、自由开放的、设计灵活、可扩展的 GUI 库，而且开发工具 Anjuta 是一款方便项目管理、交互调试的优秀 IDE，包括强大的代码编辑和语法增彩的性质，强大、易用。
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2.2 数据通信
图 2-1 中机载系统与地面站在通信软件处理上用 CConnection 结构体来管理，而具体由继承自它的 CTCP(WiFi)和 CTend(数传)实现。因为一帧中导航数据为 144 字节，激光数据达 394 字节，频率均为 75Hz，则总共数据量为 39.4K/S，因此较短距离即几百米范围内用 WiFi 传输，而几公里时则用数传电台 X-Tend 模块，传输速度 14K/S，带宽远不够，此时需要进行数据压缩。
常用的有哈夫曼编码与 LZ 算法[15]，哈夫曼编码的重要依据是每一个源字符出现的概率，对出现次数较多的字符用较短的编码，反之使用较长的编码，这样编码结果的期望长度将大幅减少，而且根据信息熵理论，也是最优的编码。具体步骤是是得到哈夫曼树后，自顶向下按路径编号，指向左节点的边编号 0，指向右节点的边编号 1，从根到叶节点的所有边上的 0 和 1 连接起来，就是叶子节点中字符的哈夫曼编码。而 LZ 是基于字典的压缩技术，它是将信息映射到动态创建的字典当中，字典中词条越多越长、压缩率将越高。本文用哈夫曼压缩算法，对 ARM 数据的压缩率平均达 40.0%，而激光的达 16.0%。
并且由于激光数据扫描范围两边误差达 1~1.2m，引起得出的地形中两边出现毛刺，无利用价值舍去。保留±60°范围内激光数据。通过部分传输和压缩可进一步压缩传输量将数据量控制在 6-8K/S，满足数传要求。
但在传输时需添加制定通讯协议，否则会引起掉包问题，即 ARM 处理器从 SPI 或串口读取到的数据发送给 OMAP3530 嵌入式 Linux 系统后，嵌入式 Linux 通过 UDP 或TCP 将数据包发给地面站，开始无论采用不可靠的 UDP 传输还是面向连接，自动重发，可靠传输的 TCP 都存在掉包现象，如下表 2-1。

这是由于串口传输是基于字节流的，而网络虽是成帧的但由于网络环境各异，有线传输时线路比较流畅，但无线传输时虽然带宽足够，但传输的数据包时多时少，导致接收可能阻塞，即接收多帧后再提交到应用层，这是因为“TCP 是面向字节流的，虽然应用程序和 TCP 的交互是一次一个数据块，但 TCP 把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流，并不知道所传的字节流的含义，，不保证应用程序所收到的数据块和应用程序所发出的数据块具有对应大小的关系，但接收方应用程序收到的字节流必须和发送方应用程序发出的字节流完全一样[16]”，因此无论对于哪种模式在接收时都必须另开一缓冲区，否则易引起难以察觉的假掉包问题，由接收线程作为生产者向缓冲区投放，由数据处理线程作为消费者解析缓冲区得到自定义格式数据包。发送方与接收方共同遵守的通讯帧结构如下表 2-2。
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第三章 机载激光系统的误差分析............................................17
3.1 安置角对点云坐标的影响........................................... 19
3.2 扫描角对点云坐标的影响......................................... 19
3.3 姿态角误差对地形测绘精度的影响....................... 20
3.4 激光测距误差对点云坐标的影响................................. 24
3.5 GPS 误差对点云坐标的影响.................................. 28
.6 偏移量误差对点云坐标的影响........................................ 29
3.7 时间同步误差对点云坐标的影响...................................... 30
3.8 时延误差对点云坐标的影响....................................... 31
3.9 本章小结..................................... 33
第四章 误差检校和消除方法................................................35
4.1 IMU 姿态角校验 ...................................... 35
4.2 安置角恢复............................................ 37
4.2.1 滚转方向................................ 37
4.2.2 俯仰方向........................................ 37
4.2.3 偏航方向......................................... 38
4.3 航带平差法校验..................................... 39
4.3.1 参数平差原理......................................... 40
4.3.2 航带平差.................................. 41
4.3.3 三参数线性平差数学模型................................. 43
4.4 本章小结............................................ 45

第五章 实验结果与分析

在前面的章节中，主要介绍了机载激光雷达扫描数字地形测绘系统的组成原理，软硬件实现及中间存在的各种误差及部分误差的校验，下面将给出最后的实验结果，由于飞行一次成本昂贵，而且需要协调各种物力、人力，甚是不方便，因此我们现在实验室进行了模拟实验，以此来验证系统构建的合理性与正确性。实验室测试成功后再到户外进行实地飞行演练，采集三维点云数据，以此验证整机的性能与精度。

5.1 实验设计
本文构建的直升机机载激光系统重量 35kg，机身约长 2m，飞行速度最大为 25m/s。主要由 LMS291 激光测距仪、电子舱构成，它们都挂在机头，电子舱里面安置了惯性导航单元、罗盘、GPS 差分板、数传接收器（接收地面站 GPS 传来的信号供差分），为方便系统的实验，将惯性导航单元与激光仪平行放置，即理论上三个方向上都没有角度差，为保证飞机中心保持在螺旋桨中心，将供给激光仪和电子舱的电池均放在飞机中部以平衡机头重量，另外由于直升机振动较为剧烈，桨叶振动频率达 20Hz，飞机本身频率为5Hz，这会影响对精度要求较高的激光地形绘制系统结果集，因此在激光仪、电子舱与飞机的硬连接装置间设计了减震装置，由垫在钢铁支架上的橡胶帽完成。

机载激光雷达扫描系统进行场外实验时，一般遵照如图 5-1 的操作流程。a)场外选择与规划：因广州市区内居民密集，一般先通过 Google 地图找到比较荒芜的空旷的区域，一是保证安全，二是保证 GPS 接收机能接收到足够的星数；b)GPS 基站架设：差分 GPS 基站需要足够的时间启动，保证 DGPS 工作在更佳状态，即达到 4 模式，5 颗以上星数，以获得更精确的位置信息；

c)无人直升机检查：整机检查是最为关键的环节，关系到飞行时的安全，稳定性，首先会对供电与油量做检查，再次会在地上模拟采集数据，保证通信链路畅通；d)路线规划与实地采集：根据实地情况规划飞行方向、速度等，一般直升机飞行高度为10~15m，速度为 5~10m/s，每次采集 5-10min，地图可以在线生成，实时查看，也可导出标准激光格式供进一步处理。
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总结与展望

本文的目的是在之前的实现的低成本的直升机机载激光地形测量系统的基础上提升系统精度，经过长时间研究探索，进一步总结了之前工作中存在的漏洞，缺点，找到改进了某些影响精度的因素，在选择的各种传感器中，DGPS 的精度最高，但除此之外如IMU、激光扫描仪都是采用的相对廉价的，但在这种受限的情况下已达到 45°角范围内达到 25cm 的精度，满足国家测量标准。
本文主要的工作内容和创新点有：
1. 在软件上，重新设计了某些构件，让之变得更加面向对象化，使接口更加清晰，且今后更容易扩展，或添加外围模块；优化了代码实现，节省了嵌入式设备有限的资源,提高了处理速度；还完成了项目中需要的各种脚本，以便对数据等进行自动化处理，减少了出差错的机会，提高了工作效率。
2. 在通信上，一是修改了串口 IO 读取机制，降低了串口掉包率，二是改进了数据传输时的发送、接收协议，彻底解决了一直存在的网络数据掉包问题；为适应更大数据量的传输实现了数据编码传输，节省了系统带宽。
3. 与高精度 IMU 系统比较实验调整 IMU 比例因子，卡尔曼滤波 Q、R 参数；调整加速度计滑动窗口滤波；研究了时间同步问题实验测试调整同步方式等；通过这些措施提高了整体精度。
4. 综合讨论分析了多个系统误差源对激光测距精度的影响的基础理论，给出了消除系统误差的理论，并试验了三参数平差方法，有效提升了点云结果高程方向精度。
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参考文献（略）

本文编号：11854