采用無(wú)人機(jī)機(jī)載三維激光雷達(dá)+地面站補(bǔ)點(diǎn)的方式應(yīng)用研究

作者：楊明，石小偉，葛浩然

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域繼全站儀、GPS技術(shù)后的又一次革命產(chǎn)品，被稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制”或 “逆向工程”技術(shù)。近景攝影測(cè)量是其部分領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。三維激光掃描技術(shù)始于 1995 年，目前是朝陽(yáng)行業(yè)。在國(guó)內(nèi)，正在出臺(tái)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)能夠真實(shí)描述掃描對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征，快速準(zhǔn)確地生成三維數(shù)據(jù)模型，防止基于點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析方法導(dǎo)致的片面性，應(yīng)用方面大大提高了工作效率，填補(bǔ)了部分行業(yè)空白。

國(guó)內(nèi)外該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、斷面和體積量測(cè)等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的三維激光技術(shù)與應(yīng)用有許多弊端：

傳統(tǒng)三維建模方式從數(shù)據(jù)采集到成圖周期太長(zhǎng)，如航測(cè);

傳統(tǒng)街景方式為二維，清晰度低，不夠逼真;

傳統(tǒng)城市部件采集方式效率低。

因此，現(xiàn)代三維激光技術(shù)基本上都是基于地面或機(jī)載某種單一方式，或?qū)煞N方式結(jié)合在一起的應(yīng)用。傳統(tǒng)方式采用單一方式的激光掃描，但不可避免地會(huì)有漏洞，一般都是采用軟件內(nèi)插點(diǎn)云的方式填補(bǔ)空洞。采用空地一體掃描技術(shù)，可以將傳統(tǒng)的被動(dòng)測(cè)量、間接測(cè)量有效轉(zhuǎn)化為主動(dòng)測(cè)量、直接測(cè)，可以選擇性地使用地面三維掃描儀補(bǔ)充特殊地區(qū)真實(shí)點(diǎn)云，達(dá)到更加精確的結(jié)果。因此探索空地一體掃描技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用方法與理論，將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，如圖1所示。

圖1 空地一體掃描技術(shù)

01

空地一體掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，三維掃描儀的巨大優(yōu)勢(shì)就在于可以快速掃描被測(cè)物體，無(wú)需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如此則可以高效地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字化護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，各種先進(jìn)的測(cè)量裝備及儀器也隨之投入到信息化測(cè)繪作業(yè)中，信息化測(cè)繪作業(yè)也越來(lái)越向空地一體化發(fā)展?？盏匾惑w掃描技術(shù)可以定義為： 采用機(jī)載激光輔以地面三維激光等多種掃描技術(shù)，快速采集物體表面真實(shí)可靠的三維數(shù)據(jù)的技術(shù)，其流程如圖 2 所示。

圖2 空地一體掃描技術(shù)整體流程

1.1 硬件集成： 核心技術(shù)

空地一體掃描的核心技術(shù)包括： 位置姿態(tài)（ positioandorientation system，POS）positioandorientation system，POS） 、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ inertial navigation system，INS） 、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ strapdown inertial navigation system，SINS） 、慣性測(cè)器件（ inertialmeasurement unit，IMU） 、激光建模測(cè)（lasermodeling instrument，LMI） 。

POS 的本質(zhì)是 SINS GPS 構(gòu)成的組合系統(tǒng)。SINS 可實(shí)時(shí)連續(xù)地測(cè)量載體的位置、速度和姿態(tài)等全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但是其誤差隨時(shí)間累積。GPS 可以提供載體的高精度位置和速度，但是 GPS 信號(hào)易受到遮擋、干擾等因素影響，且數(shù)據(jù)更新率低，因此將SINS 和 GPS 相組合，可以綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是一種較為理想的位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 SINS 與 GPS 相結(jié)合

1.2 時(shí)間同步數(shù)： 數(shù)據(jù)采集頻率內(nèi)插

由于數(shù)據(jù)采集頻率不同，在對(duì)數(shù)據(jù)融合時(shí)，需要以時(shí)間為標(biāo)志，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理和數(shù)據(jù)匹配，結(jié)合傳感器檢定信息，分別求得每一掃描及拍照時(shí)刻傳感器的運(yùn)動(dòng)位置與姿態(tài)參數(shù)。

1.3 激光技術(shù)指標(biāo)計(jì)算

基于激 光 技 術(shù) 指 標(biāo) 的 假 設(shè) 前 提： 假 定 轉(zhuǎn) 速50 圈，即每秒激光掃描儀掃描頻率可達(dá) 50 條線(xiàn)，相當(dāng)于 100 k /50-2 k 個(gè)點(diǎn)在 360°的空間均勻分布，此時(shí)角分辨率 = 2 × 3. 14 /2000.約為 3 mrad，在時(shí) 速50 km / h，在 100 m 外的數(shù)據(jù)點(diǎn)縱向和橫向的間距僅為 0.3 m 左右，如圖 4 所示。車(chē)行方向激光點(diǎn)間距計(jì)算： 車(chē) 速 50 km / h =13 m / s（ 13 /50 = 0.26 m） 。掃描方向點(diǎn)距計(jì)算： 圓弧長(zhǎng) = 半徑×弧度; 100×3 /1000 = 0.3 m。100 m 外半徑為： 0.3/1000×100= 0.03 m，即3 cm，如圖4所示。

圖 4 激光建模測(cè)量設(shè)備

02

空地一體掃描技術(shù)特點(diǎn)

2.1 空地一體，多方位獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)

輕型無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)搭配地面三維激光掃描儀，可快速多角度獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2 非接觸式數(shù)據(jù)獲取，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需反射棱鏡，對(duì)掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。可以解決危險(xiǎn)目標(biāo)、環(huán)境（ 或柔性目標(biāo)） 及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.3 主動(dòng)發(fā)射掃描光源（ 激光） ，不受掃描環(huán)境時(shí)間和空間的約束

三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源（ 激光） ，通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息，因此在掃描過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)不受掃描環(huán)境時(shí)間和空間的約束。

2.4 快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的，可準(zhǔn)確反映出地物信息。

2.5 可與 GPS 系統(tǒng)配合使用

這些功能大大擴(kuò)展了三維激光掃描技術(shù)的使用范圍，對(duì)信息的獲取更加全面、準(zhǔn)確。內(nèi)置數(shù)碼攝相機(jī)的使用，增強(qiáng)了彩色信息的采集，使掃描獲取的目標(biāo)信息更加全面。GPS 定位系統(tǒng)的應(yīng)用，使得三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，與工程測(cè)量的結(jié)合更加緊密，近一步提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

03

該技術(shù)在某地形測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 實(shí)例應(yīng)用

如圖 5 所示，該項(xiàng)目位于廣州番禺區(qū)，測(cè)區(qū)總面積約 18 km2.總建筑面積約 1.5 km2 ; 項(xiàng)目成果要求為 1 ： 500 地形地籍圖; 房屋依河涌而建，整體比較分散; 但房屋間距較小，小范圍內(nèi)房屋密集，且房屋周?chē)鷺?shù)木茂密。無(wú)人機(jī)航測(cè)手段由于房屋密集幾乎看不到地面，傳統(tǒng)測(cè)繪手段由于信號(hào)遮擋，通視不便，獲取目標(biāo)地物真實(shí)數(shù)據(jù)也異常困難，且傳統(tǒng)手段耗費(fèi)人力物力較大，18 km2 幾乎要做 6 個(gè)月。測(cè)繪精度要求本次不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中地籍測(cè)量精度按照國(guó)家及省相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，農(nóng)村房屋測(cè)量面積量算精度要求為三級(jí)，見(jiàn)表1.

圖 5 項(xiàng)目范圍線(xiàn)

3.2 實(shí)例應(yīng)用過(guò)程

采用無(wú)人機(jī)機(jī)載三維激光雷達(dá)+地面站補(bǔ)點(diǎn)的方式作業(yè)，外業(yè)投入 3 人，航飛了 20 個(gè)架次（ 采用大疆飛行平臺(tái)，航時(shí)有限，每架次只能飛行 16 min） ，外 業(yè)數(shù)據(jù)采集完，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)自主研發(fā)的 SouthLidar 軟件中進(jìn)行地形地籍圖生產(chǎn)，最終生成 DLG 成果。如圖 6 所示。將采集的 191 個(gè)檢查點(diǎn)跟激光點(diǎn)云的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)做比較，由軟件自動(dòng)生成圖 7 中報(bào)告，最終得出高程精度中誤差為 6.9 cm，116 個(gè)檢查點(diǎn)得出的高程精度中誤差為 5.1 cm，完全滿(mǎn)足 1 ∶ 500 航測(cè)高程精度要求。

圖6 設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航線(xiàn)外業(yè)采集現(xiàn)場(chǎng)（根據(jù)激光參數(shù)）

圖7 點(diǎn)云處理及精度監(jiān)測(cè)

3.3 技術(shù)創(chuàng)新及 4D 產(chǎn)品生成

基于無(wú)人機(jī)機(jī)載三維激光雷達(dá)和地面站補(bǔ)點(diǎn)方式的技術(shù)創(chuàng)新如圖 8—圖10 所示。

（ 1） 直接快速生成 DEM、DSM、DLG、DOM 等產(chǎn)品，達(dá)到定測(cè)、施工圖設(shè)計(jì)的精度要求。

（ 2） 應(yīng)用機(jī)載 LiDAR 生成 0.15 m 高精度的數(shù)字地面模型，有效克服了氣候多變、地形復(fù)雜、植被茂盛等難題。

（ 3） 無(wú)需或極少量控制測(cè)量，減少勘察設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和流程，大大縮短了工作周期，提高了工作效率。由于地形條件的限制在外業(yè)采集的碎部點(diǎn)很難一次性生成理想的等高線(xiàn)，如樓頂上控制點(diǎn)，另外還圖生產(chǎn)，最終生成 DLG 成果。如圖6所示。將采集的 191 個(gè)檢查點(diǎn)跟激光點(diǎn)云的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)做比較，由軟件自動(dòng)生成圖 7 中報(bào)告，最終得出高程精度中誤差為 6.9 cm，116 個(gè)檢查點(diǎn)得出的高程精度中誤差為 5.1 cm，完全滿(mǎn)足 1 ： 500 航測(cè)高程精度要求。因現(xiàn)實(shí)地貌的多樣性和復(fù)雜性，自動(dòng)構(gòu)成的數(shù)字地面模型與實(shí)際地貌不太一致，因此可以通過(guò)修改三角網(wǎng)修改這些局部不合理的地方。具體技術(shù)有：

（ 1） 過(guò)濾三角形。可根據(jù)需要輸入符合三角形中最小角的度數(shù)或最大邊長(zhǎng)大于最小邊長(zhǎng)的倍數(shù)等條件的三角形。如果出現(xiàn) CASS 7.0 在建立三角網(wǎng)后點(diǎn)無(wú)法繪制等高線(xiàn)，可過(guò)濾掉部分形狀特殊的三角形。另外，如果生成的等高線(xiàn)不光滑，也可以用此功能將不符合要求的三角形過(guò)濾掉，再生成等高線(xiàn)。

（ 2） 增加三角形。如果要增加三角形時(shí)，可選擇“等高線(xiàn)”菜單中的“增加三角形”項(xiàng)，依照屏幕的提示在要增加三角形的地方用鼠標(biāo)點(diǎn)取，如果點(diǎn)取的地方?jīng)]有高程點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)提示輸入高程。

（ 3） 三角形內(nèi)插點(diǎn)。選擇此命令后，可根據(jù)提示輸入要插入的點(diǎn)在三角形中指定點(diǎn)（ 可輸入坐標(biāo)或用鼠標(biāo)直接點(diǎn)?。?; 提示高程（ 米） = 時(shí)，輸入此點(diǎn)高程。通過(guò)此功能可將此點(diǎn)與相鄰的三角形頂點(diǎn)相連構(gòu)成新三角形，同時(shí)原三角形會(huì)自動(dòng)被刪除，如圖 11 所示。

圖 8 基于激光雷達(dá)的植被穿透直接獲取地面點(diǎn)的數(shù)據(jù)

圖 9 基于車(chē)載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

圖 10 制作系統(tǒng)空間同步數(shù)據(jù)———重復(fù)軌跡檢校方法

圖 11 快速采集城市街景圖（ 南方 SouthLiDAR 軟件）

04

結(jié)論與建議

基于空地一體掃描技術(shù)的車(chē)載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高樓大廈林立的城市中運(yùn)行，GPS 信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)。又由于交通狀況的影響，車(chē)載平臺(tái)時(shí)走時(shí)停，這些都使得車(chē)載系統(tǒng)的工作環(huán)境十分獨(dú)特，同時(shí)也會(huì)存在容易失鎖的地方： 如立交橋、過(guò)街天橋、高樓底下、兩邊是樹(shù)的林蔭道，一般失鎖時(shí)間為 30s，因此本文關(guān)心組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度主要是關(guān)心在失鎖30s 或 1 min 之后可以達(dá)到的精度?？傮w而言，空地一體掃描技術(shù)是現(xiàn)階段較為新穎的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)全站儀、RTK技術(shù)而言，具有非接觸式、效率高、速度快等優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)而言說(shuō)具有全天候作業(yè)、高程精度高、可穿透植被縫隙直接獲取真實(shí)地面高程的優(yōu)勢(shì)，因此在高精度地面高程測(cè)繪、地籍測(cè)繪、電力巡線(xiàn)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、森林植被采集及灘涂等人工無(wú)法到達(dá)的作業(yè)環(huán)境等領(lǐng)域有其巨大的優(yōu)勢(shì)，本文關(guān)于空地一體掃描技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行分析和探討，以及對(duì)于我國(guó)三維激光技術(shù)的推廣，起到一定的促進(jìn)作用。

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