无人机激光扫描测绘系统检校方法的研究与实现

发布时间：2017-09-01 03:10

  本文关键词：无人机激光扫描测绘系统检校方法的研究与实现

  更多相关文章： 激光扫描测绘 系统误差 检校模型 ICP算法 航带平差

【摘要】：机载激光扫描测绘系统(LiDAR)是目前最先进的获取地表三维信息的测绘系统,已广泛应用于地形测绘、环境应急监测、海岛海岸带保护等多个领域。而基于小型无人直升机的LiDAR系统可以实现低空、快速、精细化扫描,获得更为详细的地表特征,这决定了其对数据精度的要求很高。但是由于LiDAR系统误差来源非常广泛,且很难直接检校出来,所以在正式飞行扫描作业前,必须建立有效的误差检校模型进行系统检校,保证点云数据精度。本文正是针对这个问题进行了探讨和研究,并进行了飞行扫描实验。本文首先介绍了机载LiDAR系统的基本工作原理和系统组成,接着从获取的原始数据出发推导出了点云数据的生成方程。然后在对系统内部的误差来源及其影响深入分析的基础上,设计了两种不同的检校方法:1)基于航带平差的模型检校法。从平行重叠航带同名点间的差异出发,建立了对扫描数据严格约束条件下的差异分析模型;对传统迭代最近点(ICP)算法进行优化改进,实现了对两片平行重叠航带的点云配准,从而得到两片航带间的平差参数;将平差参数与差异分析模型结合并运用最小二乘拟合,从而解算出系统的六个原始参数误差。2)基于特征点的模型检校法。将系统的所有误差集中为三个安置角误差,建立了基于特征点的安置角误差检校模型;使用在规格格网中插值的方式对特征点进行提取和匹配,获取同名点对;用最小二乘拟合解算出安置角误差。本文重点研究了系统误差对重叠航带点云同名点间位置偏差的影响,并由此建立了两种误差检校模型,且都是在不需要地物真实坐标的条件下完成检校,避免了传统手工检校法需要地物点真实坐标和标准检校场的诸多限制。最后分别通过模拟飞行实验和外场飞行实验验证了两种检校方法的有效性,从而获得了精度更高的激光点云数据,为后续的数据处理奠定了基础。
【关键词】：激光扫描测绘 系统误差 检校模型 ICP算法 航带平差
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 机载LiDAR系统检校技术的研究及发展状况12-14
• 1.3 本文的研究内容和结构安排14-15
• 1.4 课题来源15-16
• 第二章 机载LiDAR系统组成和点云数据获取原理16-33
• 2.1 机载LiDAR系统的组成16-24
• 2.1.1 激光测距系统17-18
• 2.1.2 高精度全球差分定位系统18-20
• 2.1.3 惯性测量单元20-22
• 2.1.4 长距离数据传输系统22-23
• 2.1.5 高清数码相机23-24
• 2.2 机载LiDAR系统点云数据获取原理24-32
• 2.2.1 欧拉角与旋转矩阵25-26
• 2.2.2 坐标系26-29
• 2.2.3 点云数据的获取29-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 机载LiDAR系统的误差来源及影响分析33-45
• 3.1 误差源分析33-36
• 3.1.1 激光测距误差33-34
• 3.1.2 扫描角误差34
• 3.1.3 GNSS定位误差34-35
• 3.1.4 IMU姿态测量误差35
• 3.1.5 安置误差35
• 3.1.6 数据处理误差35-36
• 3.2 误差模型的建立36-38
• 3.3 误差影响分析38-44
• 3.3.1 测距误差影响分析38-39
• 3.3.2 角度误差影响分析39-43
• 3.3.3 位置误差影响分析43
• 3.3.4 数据处理误差影响分析43
• 3.3.5 随机误差影响分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 机载LiDAR系统误差的模型检校法45-70
• 4.1 传统检校法的数学模型45-48
• 4.1.1 分布几何检校法45-47
• 4.1.2 Filin自然表面检校模型47
• 4.1.3 航带平差法47-48
• 4.2 基于航带平差的模型检校48-62
• 4.2.1 模型约束条件48-49
• 4.2.2 差异分析模型49-55
• 4.2.3 基于ICP算法的航带点云配准55-62
• 4.3 基于特征点的模型检校62-69
• 4.3.1 安置角误差检校模型62-65
• 4.3.2 特征点提取与匹配65-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 系统实现与实验结果70-84
• 5.1 无人机LiDAR系统实现70-72
• 5.1.1 整机系统搭建70-71
• 5.1.2 地面站软件介绍71-72
• 5.2 基于航带平差的模型检校实验72-77
• 5.2.1 实验方案设计72-74
• 5.2.2 实验结果及分析74-77
• 5.3 基于特征点的模型检校实验77-81
• 5.3.1 实验方案设计77-78
• 5.3.2 实验结果及分析78-81
• 5.4 检校结果综合评定81-82
• 5.5 本章小结82-84
• 总结与展望84-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果91-92
• 致谢92-93
• 答辩委员会会对论文的评定意见93

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 梁新合;梁晋;郭成;曹巨明;;法向约束的多幅点云数据融合算法[J];西安交通大学学报;2009年05期

2 孟凡文;吴禄慎;;用继承与优化算法精密拼接无序点云[J];光学精密工程;2009年04期

3 范然;金小刚;;大规模点云选择及精简[J];图学学报;2013年03期

4 李伟;李旭东;赵慧洁;张颖;;基于姿态标准化的线特征点云提取方法[J];北京航空航天大学学报;2013年08期

5 邱望标;吕圣楠;;带有矩形参照物的可程序化点云精确拼接算法[J];组合机床与自动化加工技术;2010年09期

6 史宝全;梁晋;张晓强;舒挽;;特征保持的点云精简技术研究[J];西安交通大学学报;2010年11期

7 陈国安;刘飞;李丽;;采用模糊规则的人体点云特征尺寸识别与提取[J];计算机辅助设计与图形学学报;2011年08期

8 张旭;张学昌;唐觉明;;点云对称边特征的最优化提取技术[J];中国机械工程;2013年05期

9 曹照均;李尚平;李冰;;多基准点下多视点云拼接对齐方法的研究[J];机械设计与制造;2014年04期

10 李启东;李文龙;周莉萍;;一种曲面特征保持的航空叶片点云精简方法[J];中国机械工程;2014年16期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 李文涛;韦群;杨海龙;;基于图像的点云生成和预处理[A];2011年全国通信安全学术会议论文集[C];2011年

2 蔡来良;李儒;;点云数据处理算法与实现初步研究[A];第四届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2012年

3 马国庆;陶萍萍;杨周旺;;点云空间曲线的微分信息计算及匹配方法[A];第四届全国几何设计与计算学术会议论文集[C];2009年

4 江倩殷;刘忠途;李熙莹;;一种有效的点云精简算法[A];第十五届全国图象图形学学术会议论文集[C];2010年

5 解辉;张爱武;孟宪刚;;机载激光点云快速绘制方法[A];第二十五届全国空间探测学术研讨会摘要集[C];2012年

6 李凯;张爱武;;基于激光点云的粮仓储粮数量测量方法[A];第二届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2010年

7 朱晓强;余烨;刘晓平;袁晓辉;Bill P.Buckles;;基于航拍图像和LiDAR点云的城市道路提取[A];全国第19届计算机技术与应用（CACIS）学术会议论文集（上册）[C];2008年

8 刘虎;;基于线性八叉树的点云简化与特征提取研究[A];促进科技经济结合，，服务创新驱动发展——蚌埠市科协2012年度学术年会论文集[C];2012年

9 李滨;王佳;;基于点云的建筑测绘信息提取[A];第四届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2012年

10 杨雪春;;反求工程建模中点云切片技术研究[A];全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 曹裕华 高化猛 江鸿宾;激光点云 亦真亦幻[N];解放军报;2013年

2 中国工程院院士 刘先林;四维远见的装备创新[N];中国测绘报;2012年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 彭检贵;融合点云与高分辨率影像的城区道路提取与表面重建研究[D];武汉大学;2012年

2 刘涌;基于连续序列自动快速拼接的全方位三维测量技术研究[D];西南交通大学;2013年

3 袁小翠;产品表面缺陷视觉检测数据处理关键技术研究[D];南昌大学;2015年

4 赖祖龙;基于LiDAR点云与影像的海岸线提取和地物分类研究[D];武汉大学;2013年

5 王瑞岩;计算机视觉中相机标定及点云配准技术研究[D];西安电子科技大学;2015年

6 韩峰;基于点云信息的既有铁路状态检测与评估技术研究[D];西南交通大学;2015年

7 金龙存;3D点云复杂曲面重构关键算法研究[D];上海大学;2012年

8 李扬彦;基于点云的三维重建与形变事件分析[D];中国科学院深圳先进技术研究院;2013年

9 杨德贺;面向虚拟测方系统的点云聚类与拟合理论[D];中国矿业大学（北京）;2014年

10 何朝明;离散点云处理的关键技术研究[D];西南交通大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 段红娟;点云图像交互式曲线骨架提取技术及其应用[D];西南交通大学;2015年

2 张永恒;散乱点云数据配准方法研究[D];长安大学;2015年

3 吴爱;面向特征拟合的点云简化方法研究[D];中国地质大学(北京);2015年

4 薛广顺;基于立体视觉的牛体点云获取方法研究与实现[D];西北农林科技大学;2015年

5 吕超;异型面工件定位装配系统测控技术研究[D];北京交通大学;2016年

6 刘婷玉;基于逆向工程的曲面模型数字化技术研究[D];华东理工大学;2016年

7 罗寒;地面激光扫描三维模型重建技术研究[D];东华理工大学;2016年

8 刘群;基于小光斑机载LiDAR数据的单木三维分割[D];北京林业大学;2016年

9 张巍;基于深度相机Kinect的植物叶片重建研究[D];江苏大学;2016年

10 谢颖;基于三维激光扫描的粮仓储量测量中点云数据处理技术的研究[D];华东师范大学;2016年

本文编号：769566