第一章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
經(jīng)過幾十年發(fā)展，地球空間信息科學(xué)已經(jīng)成為一門具有堅實的理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用的綜合型學(xué)科，空間數(shù)據(jù)與其他專業(yè)數(shù)據(jù)相融合，可多個領(lǐng)域提供了全方位的技術(shù)支持和信息服務(wù)，如資源調(diào)查與開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測與分析、災(zāi)害監(jiān)測與評估、城市發(fā)展、智能交通等，它改變了諸多行業(yè)的運行方式，大大推動了社會經(jīng)濟的全面發(fā)展。在 20 世紀90 年代前，傳統(tǒng)的空間信息測量主要是航空攝影測量，攝影測量技術(shù)發(fā)展成熟，飛行帶寬寬、覆蓋面積大、可利用的傳感器很多，如多光譜、線陣 CCD，尤其在裸露地區(qū)，能獲得高質(zhì)量的 DTM，但是攝影測量容易受天氣影響，數(shù)據(jù)處理自動化程度低，很難靠圖像匹配算法，圖像拼接算法等各種高級圖像處理技術(shù)讓其全自動處理，一般需要人工干預(yù)，因此，80 年代，逐漸興起新型測量方式：機載激光地形掃描，它是利用全局測量單元 GPS 和局部測量單元激光掃描儀，再配合其他傳感器如 IMU 測得實時姿態(tài)來獲得地面的三維空間坐標。激光掃描系統(tǒng)能全天候采集數(shù)據(jù)，容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理自動化，而且在高于 1KM 的高空下，只要姿態(tài)精度高且有足夠的激光回波能量，獲得的精度比攝影測量要高(Baltsavias,1999b[1])。而且當完成相同的任務(wù)，激光系統(tǒng)的實現(xiàn)成本僅為攝影測量的 25%~33%[2]。
正因為機載激光系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢，現(xiàn)已被應(yīng)用于多個領(lǐng)域：
1）帶狀地形測繪，例如石油管道鋪設(shè)，河道探測，海岸測繪，道路勘探等。
2）災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測，如 911 事件美國就利用機載激光系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測世貿(mào)大廈的廢墟，能快速、準確的評估災(zāi)害的損失[3]；自 1993 起，美國宇航局先后兩次測量了格陵蘭冰原厚度，從而計算冰川的融化速度和海平面上升情況[4]；對森林掃描，對數(shù)據(jù)處理以分類，可估算森林中樹高、樹種量，可檢測植物的生長情況[5]。
3）城市建模，現(xiàn)在數(shù)字地球、數(shù)字城市已成趨勢，而激光系統(tǒng)能很快的重建房屋的3D 模型，而且配合圖片紋理，可提供類似 Google 或騰訊街景似的虛擬現(xiàn)實[6]。
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1.2 機載激光雷達系統(tǒng)研究及發(fā)展狀況
20 世紀 70 年代美國的阿波羅登月計劃中就應(yīng)用了激光測高技術(shù)，80 年代間，NASA研制出大氣海洋 Lidar 系統(tǒng) AOL 及機載地形測量設(shè)備 ATM，但直到最近十幾年，激光測量技術(shù)才取得了重大進展，測量傳感器越來越精確、可靠。這期間有航天飛機激光測高儀，火星觀測激光測高儀，月球觀測激光測高儀。
真正將激光雷達用于地形測量的是 1984 年 Krabill 等的研究[7]，而 1988 年德國斯圖加特大學(xué)開始研究地形斷面測量系統(tǒng)，荷蘭也自起開始研究激光測量提取地形信息的可行性，而在 1994 年美國 HARC(Houston Advanced Research Center)通過融合 GPS/INS，激光掃描儀等傳感器實現(xiàn)了一個機載激光三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，飛行高度 600 米，已經(jīng)能隔夜生成 DEM，比傳統(tǒng)技術(shù)快幾十倍。同年德國聯(lián)邦政府測繪局開始研究對數(shù)據(jù)進行濾波和分類，分理出建筑物模型和數(shù)字地面模型。1999 年，東京大學(xué)構(gòu)建了一套地面激光掃描系統(tǒng)。近幾年國外學(xué)者對不同平臺不同領(lǐng)域進行了更深入的研究，卡耐基-梅隆和斯坦福大學(xué)基于小型無人直升機，已成功進行了低空數(shù)據(jù)采集和建模的研究[8]，但是獲得數(shù)據(jù)的精度不高。Giovanni Gigli 等利用車載激光系統(tǒng)獲取巖體結(jié)構(gòu)的高精度點云數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可很容易進一步獲得巖體的體積、規(guī)模依賴粗糙度等參數(shù)。Pedro 等同樣利用車載激光系統(tǒng)獲取文化遺址的三維數(shù)字模型，融合攝像機的圖像信息，重建了遺址的真實模型[9]。NASA 于 2003 年發(fā)射了星載激光測高衛(wèi)星，可用其測量兩級冰川地形及其隨時間的變化，研究大氣層的垂直結(jié)構(gòu)，為探索中長期的氣候變化提供數(shù)據(jù)。
相比國外，國內(nèi)對機載激光雷達測量的研究起步較晚，1996 年中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所的李樹楷教授等完成了機載激光掃描測距-成像系統(tǒng)的研制，且與普通的激光系統(tǒng)不同，它的激光測距儀和多光譜掃描成像儀用的是同一套光學(xué)系統(tǒng)，因此能靠硬件將DEM 和影像實現(xiàn)精確匹配。2000 年，武漢大學(xué)的李清泉[10]教授等研制了一套地面激光掃描測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)尚未集成定位定向功能，目前主要用在堆積測量。
我國現(xiàn)在也十分重視激光測量系統(tǒng)的研制，如電子工業(yè)部、科技部、中國科學(xué)院等單位已經(jīng)著手研發(fā)星載或機載激光雷達系統(tǒng)，中國測繪科學(xué)研究院、武漢大學(xué)等單位正在引進機載小光斑激光系統(tǒng)，廣西桂能有限公司于 2005 年 11 月引進了 RIGEL 公司的5600 系列，能快速獲取三維激光數(shù)據(jù)和影響數(shù)據(jù)等地理空間數(shù)據(jù)，為數(shù)字電網(wǎng)、數(shù)字交通、數(shù)字化變電站等行業(yè)提供快捷、高效的解決方案，為建設(shè)工程提供從規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工、運營管理和決策等各個環(huán)節(jié)全流程、一體化的解決方案[11]。
本文構(gòu)建的機載激光雷達數(shù)字地形測繪系統(tǒng)基于小型無人直升機，重量輕、體積小，具有懸停，低空貼地飛行等優(yōu)點，在進行地形測繪時，對獲取高分辨率高密度的三維地形點云信息有著巨大的優(yōu)勢。通過自主設(shè)計實現(xiàn)的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能夠獲取較高精度的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。
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第二章 機載激光系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

2.1 設(shè)計總體架構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計目標是要求構(gòu)建快速，性能穩(wěn)定，成本低，且具有良好的可擴展性，預(yù)留一定的資源，方便改進、完善，最后系統(tǒng)整體架構(gòu)如下：

在圖 2-1 中，上框圖指搭載在飛機上的硬件模塊，下框圖指地面站軟件處理部分，其中地面站軟件平臺基于 Fedora14 系統(tǒng)，GTK 圖形窗口，GTK 作為優(yōu)秀的基于 C 語言的跨平臺的 GUI 應(yīng)用程序框架，提供了豐富的類庫包含網(wǎng)絡(luò)通信、文件操作等，且可方便集成 OpenGL，是一套現(xiàn)代化的、自由開放的、設(shè)計靈活、可擴展的 GUI 庫，而且開發(fā)工具 Anjuta 是一款方便項目管理、交互調(diào)試的優(yōu)秀 IDE，包括強大的代碼編輯和語法增彩的性質(zhì)，強大、易用。
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2.2 數(shù)據(jù)通信
圖 2-1 中機載系統(tǒng)與地面站在通信軟件處理上用 CConnection 結(jié)構(gòu)體來管理，而具體由繼承自它的 CTCP(WiFi)和 CTend(數(shù)傳)實現(xiàn)。因為一幀中導(dǎo)航數(shù)據(jù)為 144 字節(jié)，激光數(shù)據(jù)達 394 字節(jié)，頻率均為 75Hz，則總共數(shù)據(jù)量為 39.4K/S，因此較短距離即幾百米范圍內(nèi)用 WiFi 傳輸，而幾公里時則用數(shù)傳電臺 X-Tend 模塊，傳輸速度 14K/S，帶寬遠不夠，此時需要進行數(shù)據(jù)壓縮。
常用的有哈夫曼編碼與 LZ 算法[15]，哈夫曼編碼的重要依據(jù)是每一個源字符出現(xiàn)的概率，對出現(xiàn)次數(shù)較多的字符用較短的編碼，反之使用較長的編碼，這樣編碼結(jié)果的期望長度將大幅減少，而且根據(jù)信息熵理論，也是最優(yōu)的編碼。具體步驟是是得到哈夫曼樹后，自頂向下按路徑編號，指向左節(jié)點的邊編號 0，指向右節(jié)點的邊編號 1，從根到葉節(jié)點的所有邊上的 0 和 1 連接起來，就是葉子節(jié)點中字符的哈夫曼編碼。而 LZ 是基于字典的壓縮技術(shù)，它是將信息映射到動態(tài)創(chuàng)建的字典當中，字典中詞條越多越長、壓縮率將越高。本文用哈夫曼壓縮算法，對 ARM 數(shù)據(jù)的壓縮率平均達 40.0%，而激光的達 16.0%。
并且由于激光數(shù)據(jù)掃描范圍兩邊誤差達 1~1.2m，引起得出的地形中兩邊出現(xiàn)毛刺，無利用價值舍去。保留±60°范圍內(nèi)激光數(shù)據(jù)。通過部分傳輸和壓縮可進一步壓縮傳輸量將數(shù)據(jù)量控制在 6-8K/S，滿足數(shù)傳要求。
但在傳輸時需添加制定通訊協(xié)議，否則會引起掉包問題，即 ARM 處理器從 SPI 或串口讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 OMAP3530 嵌入式 Linux 系統(tǒng)后，嵌入式 Linux 通過 UDP 或TCP 將數(shù)據(jù)包發(fā)給地面站，開始無論采用不可靠的 UDP 傳輸還是面向連接，自動重發(fā)，可靠傳輸?shù)?TCP 都存在掉包現(xiàn)象，如下表 2-1。

這是由于串口傳輸是基于字節(jié)流的，而網(wǎng)絡(luò)雖是成幀的但由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境各異，有線傳輸時線路比較流暢，但無線傳輸時雖然帶寬足夠，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包時多時少，導(dǎo)致接收可能阻塞，即接收多幀后再提交到應(yīng)用層，這是因為“TCP 是面向字節(jié)流的，雖然應(yīng)用程序和 TCP 的交互是一次一個數(shù)據(jù)塊，但 TCP 把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)看成僅僅是一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流，并不知道所傳的字節(jié)流的含義，，不保證應(yīng)用程序所收到的數(shù)據(jù)塊和應(yīng)用程序所發(fā)出的數(shù)據(jù)塊具有對應(yīng)大小的關(guān)系，但接收方應(yīng)用程序收到的字節(jié)流必須和發(fā)送方應(yīng)用程序發(fā)出的字節(jié)流完全一樣[16]”，因此無論對于哪種模式在接收時都必須另開一緩沖區(qū)，否則易引起難以察覺的假掉包問題，由接收線程作為生產(chǎn)者向緩沖區(qū)投放，由數(shù)據(jù)處理線程作為消費者解析緩沖區(qū)得到自定義格式數(shù)據(jù)包。發(fā)送方與接收方共同遵守的通訊幀結(jié)構(gòu)如下表 2-2。
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第三章 機載激光系統(tǒng)的誤差分析............................................17
3.1 安置角對點云坐標的影響........................................... 19
3.2 掃描角對點云坐標的影響......................................... 19
3.3 姿態(tài)角誤差對地形測繪精度的影響....................... 20
3.4 激光測距誤差對點云坐標的影響................................. 24
3.5 GPS 誤差對點云坐標的影響.................................. 28
.6 偏移量誤差對點云坐標的影響........................................ 29
3.7 時間同步誤差對點云坐標的影響...................................... 30
3.8 時延誤差對點云坐標的影響....................................... 31
3.9 本章小結(jié)..................................... 33
第四章 誤差檢校和消除方法................................................35
4.1 IMU 姿態(tài)角校驗 ...................................... 35
4.2 安置角恢復(fù)............................................ 37
4.2.1 滾轉(zhuǎn)方向................................ 37
4.2.2 俯仰方向........................................ 37
4.2.3 偏航方向......................................... 38
4.3 航帶平差法校驗..................................... 39
4.3.1 參數(shù)平差原理......................................... 40
4.3.2 航帶平差.................................. 41
4.3.3 三參數(shù)線性平差數(shù)學(xué)模型................................. 43
4.4 本章小結(jié)............................................ 45

第五章 實驗結(jié)果與分析

在前面的章節(jié)中，主要介紹了機載激光雷達掃描數(shù)字地形測繪系統(tǒng)的組成原理，軟硬件實現(xiàn)及中間存在的各種誤差及部分誤差的校驗，下面將給出最后的實驗結(jié)果，由于飛行一次成本昂貴，而且需要協(xié)調(diào)各種物力、人力，甚是不方便，因此我們現(xiàn)在實驗室進行了模擬實驗，以此來驗證系統(tǒng)構(gòu)建的合理性與正確性。實驗室測試成功后再到戶外進行實地飛行演練，采集三維點云數(shù)據(jù)，以此驗證整機的性能與精度。

5.1 實驗設(shè)計
本文構(gòu)建的直升機機載激光系統(tǒng)重量 35kg，機身約長 2m，飛行速度最大為 25m/s。主要由 LMS291 激光測距儀、電子艙構(gòu)成，它們都掛在機頭，電子艙里面安置了慣性導(dǎo)航單元、羅盤、GPS 差分板、數(shù)傳接收器（接收地面站 GPS 傳來的信號供差分），為方便系統(tǒng)的實驗，將慣性導(dǎo)航單元與激光儀平行放置，即理論上三個方向上都沒有角度差，為保證飛機中心保持在螺旋槳中心，將供給激光儀和電子艙的電池均放在飛機中部以平衡機頭重量，另外由于直升機振動較為劇烈，槳葉振動頻率達 20Hz，飛機本身頻率為5Hz，這會影響對精度要求較高的激光地形繪制系統(tǒng)結(jié)果集，因此在激光儀、電子艙與飛機的硬連接裝置間設(shè)計了減震裝置，由墊在鋼鐵支架上的橡膠帽完成。

機載激光雷達掃描系統(tǒng)進行場外實驗時，一般遵照如圖 5-1 的操作流程。a)場外選擇與規(guī)劃：因廣州市區(qū)內(nèi)居民密集，一般先通過 Google 地圖找到比較荒蕪的空曠的區(qū)域，一是保證安全，二是保證 GPS 接收機能接收到足夠的星數(shù)；b)GPS 基站架設(shè)：差分 GPS 基站需要足夠的時間啟動，保證 DGPS 工作在更佳狀態(tài)，即達到 4 模式，5 顆以上星數(shù)，以獲得更精確的位置信息；

c)無人直升機檢查：整機檢查是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系到飛行時的安全，穩(wěn)定性，首先會對供電與油量做檢查，再次會在地上模擬采集數(shù)據(jù)，保證通信鏈路暢通；d)路線規(guī)劃與實地采集：根據(jù)實地情況規(guī)劃飛行方向、速度等，一般直升機飛行高度為10~15m，速度為 5~10m/s，每次采集 5-10min，地圖可以在線生成，實時查看，也可導(dǎo)出標準激光格式供進一步處理。
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總結(jié)與展望

本文的目的是在之前的實現(xiàn)的低成本的直升機機載激光地形測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)精度，經(jīng)過長時間研究探索，進一步總結(jié)了之前工作中存在的漏洞，缺點，找到改進了某些影響精度的因素，在選擇的各種傳感器中，DGPS 的精度最高，但除此之外如IMU、激光掃描儀都是采用的相對廉價的，但在這種受限的情況下已達到 45°角范圍內(nèi)達到 25cm 的精度，滿足國家測量標準。
本文主要的工作內(nèi)容和創(chuàng)新點有：
1. 在軟件上，重新設(shè)計了某些構(gòu)件，讓之變得更加面向?qū)ο蠡菇涌诟忧逦�，且今后更容易擴展，或添加外圍模塊；優(yōu)化了代碼實現(xiàn)，節(jié)省了嵌入式設(shè)備有限的資源,提高了處理速度；還完成了項目中需要的各種腳本，以便對數(shù)據(jù)等進行自動化處理，減少了出差錯的機會，提高了工作效率。
2. 在通信上，一是修改了串口 IO 讀取機制，降低了串口掉包率，二是改進了數(shù)據(jù)傳輸時的發(fā)送、接收協(xié)議，徹底解決了一直存在的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)掉包問題；為適應(yīng)更大數(shù)據(jù)量的傳輸實現(xiàn)了數(shù)據(jù)編碼傳輸，節(jié)省了系統(tǒng)帶寬。
3. 與高精度 IMU 系統(tǒng)比較實驗調(diào)整 IMU 比例因子，卡爾曼濾波 Q、R 參數(shù)；調(diào)整加速度計滑動窗口濾波；研究了時間同步問題實驗測試調(diào)整同步方式等；通過這些措施提高了整體精度。
4. 綜合討論分析了多個系統(tǒng)誤差源對激光測距精度的影響的基礎(chǔ)理論，給出了消除系統(tǒng)誤差的理論，并試驗了三參數(shù)平差方法，有效提升了點云結(jié)果高程方向精度。
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參考文獻（略）

本文編號：11854