第一章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
經過幾十年發(fā)展，地球空間信息科學已經成為一門具有堅實的理論基礎和廣泛應用的綜合型學科，空間數據與其他專業(yè)數據相融合，可多個領域提供了全方位的技術支持和信息服務，如資源調查與開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測與分析、災害監(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)，能獲得高質量的 DTM，但是攝影測量容易受天氣影響，數據處理自動化程度低，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讓其全自動處理，一般需要人工干預，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)能全天候采集數據，容易實現數據處理自動化，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，激光系統(tǒng)的實現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，現已被應用于多個領域：
1）帶狀地形測繪，例如石油管道鋪設，河道探測，海岸測繪，道路勘探等。
2）災害調查與環(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)測世貿大廈的廢墟，能快速、準確的評估災害的損失[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，對數據處理以分類，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，現在數字地球、數字城市已成趨勢，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用了激光測高技術，80 年代間，NASA研制出大氣海洋 Lidar 系統(tǒng) AOL 及機載地形測量設備 ATM，但直到最近十幾年，激光測量技術才取得了重大進展，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了一個機載激光三維數據采集系統(tǒng)，飛行高度 600 米，已經能隔夜生成 DEM，比傳統(tǒng)技術快幾十倍。同年德國聯(lián)邦政府測繪局開始研究對數據進行濾波和分類，分理出建筑物模型和數字地面模型。1999 年，東京大學構建了一套地面激光掃描系統(tǒng)。近幾年國外學者對不同平臺不同領域進行了更深入的研究，卡耐基-梅隆和斯坦福大學基于小型無人直升機，已成功進行了低空數據采集和建模的研究[8]，但是獲得數據的精度不高。Giovanni Gigli 等利用車載激光系統(tǒng)獲取巖體結構的高精度點云數據，根據數據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。Pedro 等同樣利用車載激光系統(tǒng)獲取文化遺址的三維數字模型，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構，為探索中長期的氣候變化提供數據。
相比國外，國內對機載激光雷達測量的研究起步較晚，1996 年中國科學院遙感應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系統(tǒng)，因此能靠硬件將DEM 和影像實現精確匹配。2000 年，武漢大學的李清泉[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、中國科學院等單位已經著手研發(fā)星載或機載激光雷達系統(tǒng)，中國測繪科學研究院、武漢大學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據和影響數據等地理空間數據，為數字電網、數字交通、數字化變電站等行業(yè)提供快捷、高效的解決方案，為建設工程提供從規(guī)劃、勘察、設計、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]。
本文構建的機載激光雷達數字地形測繪系統(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。通過自主設計實現的多傳感器數據融合技術，能夠獲取較高精度的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。
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第二章 機載激光系統(tǒng)的軟件實現

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

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 應用程序框架，提供了豐富的類庫包含網絡通信、文件操作等，且可方便集成 OpenGL，是一套現代化的、自由開放的、設計靈活、可擴展的 GUI 庫，而且開發(fā)工具 Anjuta 是一款方便項目管理、交互調試的優(yōu)秀 IDE，包括強大的代碼編輯和語法增彩的性質，強大、易用。
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2.2 數據通信
圖 2-1 中機載系統(tǒng)與地面站在通信軟件處理上用 CConnection 結構體來管理，而具體由繼承自它的 CTCP(WiFi)和 CTend(數傳)實現。因為一幀中導航數據為 144 字節(jié)，激光數據達 394 字節(jié)，頻率均為 75Hz，則總共數據量為 39.4K/S，因此較短距離即幾百米范圍內用 WiFi 傳輸，而幾公里時則用數傳電臺 X-Tend 模塊，傳輸速度 14K/S，帶寬遠不夠，此時需要進行數據壓縮。
常用的有哈夫曼編碼與 LZ 算法[15]，哈夫曼編碼的重要依據是每一個源字符出現的概率，對出現次數較多的字符用較短的編碼，反之使用較長的編碼，這樣編碼結果的期望長度將大幅減少，而且根據信息熵理論，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，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 數據的壓縮率平均達 40.0%，而激光的達 16.0%。
并且由于激光數據掃描范圍兩邊誤差達 1~1.2m，引起得出的地形中兩邊出現毛刺，無利用價值舍去。保留±60°范圍內激光數據。通過部分傳輸和壓縮可進一步壓縮傳輸量將數據量控制在 6-8K/S，滿足數傳要求。
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 或串口讀取到的數據發(fā)送給 OMAP3530 嵌入式 Linux 系統(tǒng)后，嵌入式 Linux 通過 UDP 或TCP 將數據包發(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)，可靠傳輸的 TCP 都存在掉包現象，如下表 2-1。

這是由于串口傳輸是基于字節(jié)流的，而網絡雖是成幀的但由于網絡環(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，但傳輸的數據包時多時少，導致接收可能阻塞，即接收多幀后再提交到應用層，這是因為“TCP 是面向字節(jié)流的，雖然應用程序和 TCP 的交互是一次一個數據塊，但 TCP 把應用程序交下來的數據看成僅僅是一連串的無結構的字節(jié)流，并不知道所傳的字節(jié)流的含義，，不保證應用程序所收到的數據塊和應用程序所發(fā)出的數據塊具有對應大小的關系，但接收方應用程序收到的字節(jié)流必須和發(fā)送方應用程序發(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者向緩沖區(qū)投放，由數據處理線程作為消費者解析緩沖區(qū)得到自定義格式數據包。發(fā)送方與接收方共同遵守的通訊幀結構如下表 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..................................... 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............................................ 37
4.2.1 滾轉方向................................ 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 參數平差原理......................................... 40
4.3.2 航帶平差.................................. 41
4.3.3 三參數線性平差數學模型................................. 43
4.4 本章小結............................................ 45

第五章 實驗結果與分析

在前面的章節(jié)中，主要介紹了機載激光雷達掃描數字地形測繪系統(tǒng)的組成原理，軟硬件實現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果，由于飛行一次成本昂貴，而且需要協(xié)調各種物力、人力，甚是不方便，因此我們現在實驗室進行了模擬實驗，以此來驗證系統(tǒng)構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，采集三維點云數據，以此驗證整機的性能與精度。

5.1 實驗設計
本文構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、電子艙構成，它們都掛在機頭，電子艙里面安置了慣性導航單元、羅盤、GPS 差分板、數傳接收器（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)結果集，因此在激光儀、電子艙與飛機的硬連接裝置間設計了減震裝置，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；b)GPS 基站架設：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，以獲得更精確的位置信息；

c)無人直升機檢查：整機檢查是最為關鍵的環(huán)節(jié)，關系到飛行時的安全，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據，保證通信鏈路暢通；d)路線規(guī)劃與實地采集：根據實地情況規(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，也可導出標準激光格式供進一步處理。
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總結與展望

本文的目的是在之前的實現的低成本的直升機機載激光地形測量系統(tǒng)的基礎上提升系統(tǒng)精度，經過長時間研究探索，進一步總結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°角范圍內達到 25cm 的精度，滿足國家測量標準。
本文主要的工作內容和創(chuàng)新點有：
1. 在軟件上，重新設計了某些構件，讓之變得更加面向對象化，使接口更加清晰，且今后更容易擴展，或添加外圍模塊；優(yōu)化了代碼實現，節(jié)省了嵌入式設備有限的資源,提高了處理速度；還完成了項目中需要的各種腳本，以便對數據等進行自動化處理，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，二是改進了數據傳輸時的發(fā)送、接收協(xié)議，徹底解決了一直存在的網絡數據掉包問題；為適應更大數據量的傳輸實現了數據編碼傳輸，節(jié)省了系統(tǒng)帶寬。
3. 與高精度 IMU 系統(tǒng)比較實驗調整 IMU 比例因子，卡爾曼濾波 Q、R 參數；調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理論，給出了消除系統(tǒng)誤差的理論，并試驗了三參數平差方法，有效提升了點云結果高程方向精度。
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參考文獻（略）

本文編號：11854