机载激光雷达航带拼接技术研究

论文摘要

LiDAR(Light Detection And Ranging)是一种主动式对地观测系统,它集成了GPS、惯性导航、激光测距等先进技术,具有控制测量依赖性少、受天气影响小、自动化程度高、成图周期短等特点,可能为测绘行业带来一场新的技术革命(刘经南,2003)。为重构真实世界的数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM,Digital ElevationModel),需先用机载激光雷达对地表进行全方位扫描。由于激光雷达系统的飞行高度有限,扫描角也有一定的范围,这决定了其扫描带宽是有限的(而且小于传统的航空摄影测量方式)。在进行大面积测量的时候,必须飞行多条航带才能覆盖待测区域,航带间必须保持一定的旁向重叠,最终镶嵌成整个测区的图像。不同的航带飞行时,系统的定位和姿态测量的误差是不同的,这样,在航带间的旁向重叠区域,不同航带解算出的同一点的高程会有差异即高程相对漂移(Height relative offset),使得两条航带的DTM拼接中会存在系统误差和随机误差。这直接影响LiDAR技术在面积测量生产中的应用。因此,对高程相对漂移进行研究,剔除或削弱不同扫描带拼接产生的系统误差和随机误差,对机载激光雷达数据质量进行分析和校正,实现不同扫描带的拼接,可对为后续处理提供高精度的数据源。虽然三维数据空间配准方法已经有了很大的发展,对于机载激光雷达系统,由于本身的复杂性,其航带拼接方法有其自身的特性,本文在总结国内外学者研究成果的基础上,着重研究了机载LiDAR航带拼接问题,所做的主要研究工作及取得的成果如下:(1)分析总结了三维激光扫描数据空间配准的最新研究成果。在此基础上讨论了三维激光扫描数据空间配准方法对机载激光雷达航带拼接的适用性。(2)从硬件系统、数据获取方式、测量对象、重叠区数据四个方面对三维激光扫描数据拼接和机载激光雷达航带拼接进行详细的对比,通过它们之间的差异,对机载激光雷达航带拼接进行定义。(3)对航带间的旁向重叠区域,不同航带解算出的同一点存在高程相对漂移的原因进行探讨,对姿态测定误差和系统安置角误差对激光脚点坐标的影响进行了公式推导,对于两项误差对重叠区高程的影响进行了分析和模拟计算,取得了有益的结论。(4)提出了一套完整的基于数据本身的数据误差检验—误差分析—误差校正的航带纠正方法即基于统计分析的航带拼接方法,对其原理进行了阐述,并以LiDAR点云数据为例验证了这一方法,实验结果比较理想,达到了数据质量分析和数据误差校正的目的,提高了数据质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三维激光扫描数据拼接的研究现状
• 1.2.2 机载激光雷达航带拼接研究现状
• 1.2.3 当前研究中的缺陷和不足
• 1.3 本文研究内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 组织结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 机载激光雷达技术
• 2.1 机载激光雷达系统组成
• 2.1.1 系统描述
• 2.1.2 激光测距系统
• 2.1.3 DGPS和INS系统
• 2.1.4 数码相机系统
• 2.2 激光雷达对地定位原理
• 2.3 机载激光雷达的坐标系统
• 2.3.1 坐标系统简介
• 2.3.2 坐标系统之间的转换
• 2.4 机载激光雷达测量的几何模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 机载激光雷达航带拼接技术
• 3.1 三维激光扫描数据拼接的概念
• 3.2 基于ICP算法的机载LiDAR航带拼接
• 3.2.1 ICP算法
• 3.2.2 算法实例
• 3.3 机载激光雷达航带拼接概念
• 3.3.1 机载激光雷达航带拼接与三维激光扫描数据拼接的差异
• 3.3.2 机载激光雷达航带拼接的概念
• 3.4 本章小结
• 第四章 航带重叠区高程相对漂移分析
• 4.1 INS姿态测定误差分析
• 4.1.1 INS陀螺仪常值漂移
• 4.1.2 INS姿态测定误差定性分析
• 4.1.3 INS姿态测定误差对激光脚点坐标的影响
• 4.2 系统安置角误差分析
• 4.2.1 系统安置角误差定性分析
• 4.2.2 系统安置角误差对激光脚点坐标的影响
• 4.3 两项误差对重叠区高程的影响
• 4.3.1 数学模型
• 4.3.2 两项误差对重叠区高程的影响和分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于统计分析的航带拼接
• 5.1 引言
• 5.2 基于统计分析的航带拼接的基本原理
• 5.3 航带间高程相对漂移消除方法
• 5.3.1 高程相对漂移评价方法
• 5.3.2 高程相对漂移校正方法
• 5.4 本章小结
• 第六章 数据实验与分析
• 6.1 实验数据
• 6.2 实验步骤
• 6.2.1 设定采样点
• 6.2.2 计算采样点平坦度
• 6.2.3 高程相对漂移评价
• 6.3 实验结果与分析
• 6.4 高程相对漂移的纠正
• 6.4.1 高程相对漂移纠正前后的定性分析
• 6.4.2 高程相对漂移纠正前后的定量分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 本文不足及展望
• 致谢
• 参考文献