吳麗沙開(kāi)題報(bào)告最終版

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告 題 目 基于平面特征的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)航帶平差 研究 指 導(dǎo) 教 師 王麗英 院（系、部） 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 遙感10-1班 學(xué) 號(hào) 1004090121 姓 名 吳麗沙 日 期 2014年3月 16 日 教務(wù)處一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀1: 研究的目的和意義： 攝影測(cè)量與遙感歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，在信息獲取技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到了很完善的階段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷提，各種傳感器的出現(xiàn)，不斷的更新多源遙感信息，使得人類能從不同的角度認(rèn)識(shí)和了解自然。在面臨當(dāng)前人口、資源和環(huán)境的問(wèn)題上，遙感提供了良好的調(diào)查、分析和處理

2、手段。在如今這樣一個(gè)急需高精度、高分辨率和高光譜遙感信息源的時(shí)代，特別是地震、洪水、塌方、泥石流等災(zāi)情不斷的現(xiàn)在，機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）的出現(xiàn)極大的滿足了人類對(duì)遙感信息源的需求。 機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)作為信息獲取的一種新模式，其理論依據(jù)、集成方案以及數(shù)據(jù)處理方式等均不同于傳統(tǒng)的攝影測(cè)量與遙感系統(tǒng)。相比而言，機(jī)載 LiDAR 具有其獨(dú)有的特點(diǎn)： 空間上，LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)為三維，而影像數(shù)據(jù)為二維。影像數(shù)據(jù)規(guī)則分布在二維格網(wǎng)點(diǎn)上，而 LiDAR 數(shù)據(jù)在地面平面的分布是不規(guī)則的。二者的數(shù)據(jù)都是離散的1。 LiDAR 獲得的數(shù)據(jù)是多次回波

3、數(shù)據(jù)。多次回波對(duì)應(yīng)不同的表面。 不同位置的光斑密度不同，這主要是因?yàn)榧す鈷呙璺绞讲煌?。在不考慮地形起伏影響的情況下，圓錐掃描、線掃描的掃描帶兩側(cè)數(shù)據(jù)密度大、中間部分稀2，而光纖掃描的掃描線方向上光斑密度大于垂直掃描線方向上的光斑密度。 數(shù)據(jù)量大。LiDAR 能夠提供高達(dá)每平方米十幾個(gè)點(diǎn)的光斑密度，這樣一塊 1km1km 測(cè)區(qū)將包含 1 千萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)以上。實(shí)際工程中測(cè)區(qū)的面積可達(dá)幾千平方公里甚至數(shù)萬(wàn)平方公里。這么大范圍內(nèi)的激光點(diǎn)云構(gòu)成的海量數(shù)據(jù)對(duì)壓縮存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理環(huán)境、軟件計(jì)算效率等都提出了很高的要求3。 航帶覆蓋面積較小。受 LiDAR 技術(shù)數(shù)據(jù)獲取方式和硬件條件所限，LiDAR 的掃描帶覆蓋面

4、積較小。在飛行高度、速度、時(shí)間、航攝航帶重疊度相同的條件下，相機(jī)(75視場(chǎng))覆蓋面積是激光掃描儀(30掃描寬度)的 2.9 倍4。這意味著為獲得相同的覆蓋面積，需要對(duì)更多的掃描航帶進(jìn)行相關(guān)處理。 獲取同名點(diǎn)困難。同名點(diǎn)在攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等諸多應(yīng)用中扮演著重要的角色。LiDAR 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率要遠(yuǎn)低于攝影測(cè)量的采樣頻率，因此 LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不能保證獲取到地面特征點(diǎn)。另外，同名特征并不能保證被不同航帶掃描到，因此航帶間不存在真正意義上的同名點(diǎn)。因此，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)還需要開(kāi)發(fā)新的處理方法。 存在數(shù)據(jù)盲區(qū)。由于遮擋、物體特性(如鏡面反射)等因素，數(shù)據(jù)集中往往會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有數(shù)據(jù)的部分(縫隙)。機(jī)

5、載 LiDAR 的上述特點(diǎn)決定了其對(duì)航帶間重疊區(qū)域的誤差進(jìn)行消除的處理不同于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量處理方式。 機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)是整合了激光測(cè)距系統(tǒng)（Laser Scanning Ranging）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS） 等多個(gè)部件的集成系統(tǒng)，精度受到內(nèi)在部件的共同影響。飛行高度、GPS、INS、掃描角度等都會(huì)引起誤差的產(chǎn)生。這些誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差主要來(lái)源于激光發(fā)散、空氣透明度、電子時(shí)鐘準(zhǔn)確度、接收器反應(yīng)以及地表材料等，隨機(jī)誤差無(wú)法消除，但是可以通

6、過(guò)反復(fù)測(cè)量和平差等手段進(jìn)行消減。系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于子系統(tǒng)的測(cè)量誤差和子系統(tǒng)之間的集成誤差。系統(tǒng)誤差不僅會(huì)影響激光腳點(diǎn)坐標(biāo)精度，最主要是直接導(dǎo)致同名地物存在空間偏差，嚴(yán)重影響后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，是影響精度的主要因素。所以，為了獲取高精度的機(jī)載 LiDAR 數(shù)據(jù)，必須對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行消除。 機(jī)載 LiDAR 作業(yè)時(shí)，由于航高和掃描視場(chǎng)角的限制，每條航帶的圖像只能覆蓋地面一定的寬度，要完成一定的作業(yè)面積就必須飛行多條航線，而且這些航線還必須保持一定的重疊度。機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)集成了激光掃描系統(tǒng)、POS 系統(tǒng)等主要部件，各個(gè)量測(cè)子系統(tǒng)本身以及子系統(tǒng)間的集成都有誤差存在。通常，由于誤差會(huì)導(dǎo)致 LiDAR數(shù)

7、據(jù)不同航帶的同名特征間存在三維系統(tǒng)性的空間偏移，嚴(yán)重影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對(duì)精度。航帶平差的目的在于通過(guò)消除或減少不同航帶重疊區(qū)域之間的差異從而生成無(wú)縫產(chǎn)品，為最終地理空間產(chǎn)品提供質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。2：研究現(xiàn)狀： 機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)整合了多個(gè)子系統(tǒng)完成觀測(cè)，子系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免產(chǎn)生測(cè)量誤差，而多個(gè)子系統(tǒng)之間在整合上也會(huì)存在偏差，進(jìn)而導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)含有粗差或系統(tǒng)誤差，為了得到高精度且實(shí)用強(qiáng)的機(jī)載 LiDAR 數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)誤差則成為必要的處理過(guò)程。目前對(duì)于降低系統(tǒng)誤差影響的方法比較多，主要是分為系統(tǒng)檢校和航帶平差。系統(tǒng)檢校是為確定系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)誤差，使其只剩下隨機(jī)誤差，進(jìn)而改正原始激光腳點(diǎn)

8、數(shù)據(jù)。該方法通常是在飛行作業(yè)之前進(jìn)行，主要是針對(duì)各部件自身以及各部件在位置空間上的檢校。很多學(xué)者認(rèn)為安置角誤差對(duì)激光腳點(diǎn)影響最大，會(huì)使掃描線與真實(shí)位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致被掃描物體發(fā)生嚴(yán)重變形。而安置角誤差是無(wú)法在事先獲取，只能通過(guò)在航檢校，如 Thiel 和 Wehr5利用公式推導(dǎo)求解激光掃描儀與 INS 之間的安置角問(wèn)題。依次對(duì)俯仰角、側(cè)滾角和航偏角進(jìn)行計(jì)算，更新所有激光腳點(diǎn)坐標(biāo)，然后以新的坐標(biāo)進(jìn)行下一次計(jì)算，當(dāng)三個(gè)角度的改正值都在收斂范圍內(nèi)時(shí)則結(jié)束迭代過(guò)程。Burman利用飛行場(chǎng)，由 4 條相互垂直且方向相反的航帶，通過(guò)對(duì)重疊航帶內(nèi)的高程值的計(jì)算，確定安置角。Habib6分析了系統(tǒng)檢校對(duì)點(diǎn)云精

9、度的影響，得出經(jīng)過(guò)檢校的機(jī)載 LiDAR 仍會(huì)存在殘余的系統(tǒng)誤差，其中包含安置角誤差。國(guó)內(nèi)有武漢大學(xué)和山東科技大學(xué)幾所高校對(duì)航帶平差進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但是目前還沒(méi)有針對(duì)安置角誤差進(jìn)行定性、定量分析7 8。尤瑞哲9利用自動(dòng)化技術(shù)對(duì)安置角進(jìn)行檢校；許曉東10提出利用重疊航帶而無(wú)需地面控制點(diǎn)的檢校方式；張小紅11提出分步幾何法恢復(fù)線掃描系統(tǒng)安置角誤差方法。 航帶平差技術(shù)是在近十余年來(lái)被很多學(xué)者加以研究和利用：如參數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)描述航帶變形，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangular Irregular Network, TIN）的數(shù)據(jù)組織形式以確保點(diǎn)云分布，平差時(shí)引入強(qiáng)度數(shù)據(jù)，或是利用數(shù)據(jù)特征等。綜述如下：從采

10、用的特征看待航帶平插： 基于點(diǎn)特征的航帶平差12-15：以點(diǎn)特征為基元建立誤差觀測(cè)方程。 基于線特征的平差16-18：以線特征為基元建立誤差觀測(cè)方程。Habib 利用航帶重疊區(qū)域線特征實(shí)現(xiàn)了 LiDAR 航帶平差；Vosselman 基于線性特征完成了航帶間平移量的估算。 基于面特征約束的平差19-22：對(duì)于平面上的點(diǎn)，點(diǎn)坐標(biāo)滿足平面方程，通過(guò)提取同名面特征，同名面上的點(diǎn)滿足相同的平面方程，以此來(lái)建立誤差方程式。從消除誤差的維數(shù)角度看待航帶平差。一維航帶平差。如 Crombaghs23提出了基于重疊區(qū)域的平差方法，將機(jī)載 LiDAR 航帶間的高程漂移視為系統(tǒng)誤差，采用三個(gè)航帶變形參數(shù)對(duì)高程誤差

11、進(jìn)行改正，消除高程上的偏移和航帶上的傾斜，此方法只考慮高程誤差，忽略平面誤差的影響。童俊雄24在 Crombaghs 基礎(chǔ)上通過(guò)模型改正，在平差中加入航帶扭曲參數(shù)。三維航帶平差。機(jī)載 LiDAR 最初目的是獲取 DEM，所以人們把目光聚集在高程精度上，而忽略平面精度。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)精度的要求也不斷提高，平面精度逐步被人關(guān)注。Vosselman 和 Maas25總結(jié)出平面精度比高程精度更明顯，所以必須以三維平差模型進(jìn)行誤差的消除。從數(shù)據(jù)組織形式的角度看待航帶平差。不規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織形式。Mass26為了避免內(nèi)插誤差造成的影響，利用 TIN 和離散點(diǎn)建立兩條航帶間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)最小

12、二乘匹配使得兩者之間的法向距離不斷地縮小，但此方法僅將簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換用于函數(shù)，存在著模型有效性的缺陷；Vosselman27利用山墻和溝渠提取的線性特征，估算重疊航帶間的差異，并將求解的參數(shù)用于航帶，加以改正；Pfeifer et al28利用重疊區(qū)域的平面分割代替以往的基于點(diǎn)、特征、建 TIN 等的處理方式，提出了一種自動(dòng)檢測(cè)差異的方法；Robert29在 Mass基礎(chǔ)上利用加權(quán)最小二乘匹配原理最小化兩個(gè)表面的法向距離，對(duì)參考點(diǎn)云 TIN，建立與目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的唯一三角形。王麗英(2001)提出無(wú)控制三維表面匹配算法，并引入高斯-馬爾可夫模型視隨機(jī)變量為觀測(cè)值，進(jìn)行合理的參數(shù)配置，顯著提高了平差精度

13、，達(dá)到商業(yè)化精度。規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織形式30。基于規(guī)格格網(wǎng)的數(shù)據(jù)形式，需要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理，精度沒(méi)有不規(guī)則格網(wǎng)精度好。從引入強(qiáng)度數(shù)據(jù)角度看待航帶平差。機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)可以記錄回波信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)弱即為獲取的強(qiáng)度值，是否能夠?qū)?qiáng)度數(shù)據(jù)與航帶平差結(jié)合已然成為探討的熱點(diǎn)之一。Mass31將機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)用于求解航帶水平偏差，并且顯著的改善了水平方向的平差效果。Vosselman 在文章中指出，即使是含有大量的噪聲，強(qiáng)度數(shù)據(jù)也是適合于平面偏差的估算。蔡欣怡32利用規(guī)則格網(wǎng)描述離散點(diǎn)，并將規(guī)則格網(wǎng)的高程值和強(qiáng)度值作為未知量，加入平差模型中求解。二、研究方案及預(yù)期結(jié)果研究?jī)?nèi)

14、容： 本文主要針對(duì)機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)誤差展開(kāi)研究，旨在利用基于面特征的機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)航帶平差技術(shù)消除誤差。研究?jī)?nèi)容如下： 由于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)不存在同名點(diǎn)而且還存在遮擋問(wèn)題，因此不能利用點(diǎn)特征。同時(shí)，線特征的解算精度不是很高，也不能采用。本文采用的面特征相對(duì)于點(diǎn)特征、線特征具有明顯的的優(yōu)勢(shì)，它可以避免點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的匹配，是較可靠的方法，但是對(duì)地表有一定約條件，要求有平地或者平面地物。并且解算精度高?；诿嫣卣鞯臋C(jī)載 LiDAR數(shù)據(jù)航帶平差研究。主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波分類、分割實(shí)現(xiàn)平面特征提取、擬合、匹配、基于面特征的航帶平差等。技術(shù)路線： 本文提出如下技術(shù)路線，見(jiàn)圖1.1：濾波后機(jī)載L

15、iDAR數(shù)據(jù)是否滿足精度要求 顯示結(jié)果 是分割實(shí)現(xiàn)平面特征提取 否擬合匹配基于面特征的航帶平差 顯示結(jié)果最小二乘平插解算航帶平差改正值是否滿足精度要求 航帶誤差改正 是 圖1.1航帶平差技術(shù)路線論文框架：第一章：緒論第二章：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成 第三章：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)誤差分析 第四章：機(jī)載LiDAR航帶平差理論基礎(chǔ) 第五章：基于面特征的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)航帶平差研究 第六章：結(jié)論與展望三、研究進(jìn)度第5周 : 搜集資料、查閱文獻(xiàn)，制定研究方案；第6-7周 ：學(xué)習(xí)相關(guān)理論，完成基于面特征的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)航帶平差公式理論推導(dǎo)；第8周 ：運(yùn)用TerraSolid軟件進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理；第9周 ：

16、基于Matlab編程實(shí)現(xiàn)平面特征擬合；第10-11周 ：基于Matlab編程實(shí)現(xiàn)平面特征匹配；第12-13周 ：Matlab編程實(shí)現(xiàn)基于面特征的航帶平差；第14-15周 ：撰寫論文及修改論文； 第16-17周 ：論文排版、打印、裝訂；第18周 ：準(zhǔn)備答辯四、主要參考文獻(xiàn)1 管海燕.LiDAR 與影像結(jié)合的地物分類及房屋重建研究D.武漢:武漢大學(xué),2009.2 尤紅建.激光三維遙感數(shù)據(jù)處理及建筑物重建D.測(cè)繪出版社,2006.3 賴旭東.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究D.武漢:武漢大學(xué),2006.4 Baltsavias E P.Airborne Laser scanning:exis

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