无人机空地一体三维激光扫描技术应用研究
摘要: 首先对三维激光技术的概念、发展及空地一体扫描技术的研究背景进行了分析，然后对空地一体扫描技术进行定义并对空地一体扫描技术的特点进行了总结，最后对其应用进行了研究。经过实地操作，基于无人机的空地一体三维扫描技术可以有效克服传统扫描方式弊端，实现高精度立体监测网络( 空中-地面-地下监测) ，完成多载荷数据获取平台: 机载-车载-室内、机载-车载-室内知识产权系列产品等。
关键词: 空地一体扫描技术; 地形测绘; 应用; 三维激光; 高精度中图分类号
作者：杨明，石小伟，葛浩然
三维激光扫描技术是测绘领域继全站仪、GPS技术后的又一次革命产品，被称为“实景复制”或 “逆向工程”技术。近景摄影测量是其部分领域的竞争产品。三维激光扫描技术始于 1995 年，目前是朝阳行业。在国内，正在出台相关的规范和标准。该技术能够真实描述扫描对象的整体结构及形态特征，快速准确地生成三维数据模型，防止基于点数据的分析方法导致的片面性，应用方面大大提高了工作效率，填补了部分行业空白。
国内外该技术已广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积量测等领域。但传统的三维激光技术与应用有许多弊端:
①传统三维建模方式从数据采集到成图周期太长，如航测;
②传统街景方式为二维，清晰度低，不够逼真;
③传统城市部件采集方式效率低。
因此，现代三维激光技术基本上都是基于地面或机载某种单一方式，或将两种方式结合在一起的应用。传统方式采用单一方式的激光扫描，但不可避免地会有漏洞，一般都是采用软件内插点云的方式填补空洞。采用空地一体扫描技术，可以将传统的被动测量、间接测量有效转化为主动测量、直接测，可以选择性地使用地面三维扫描仪补充特殊地区真实点云，达到更加精确的结果。因此探索空地一体扫描技术在测绘工程中的应用方法与理论，将具有一定的现实意义，如图1所示。
图1 空地一体扫描技术
三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，无需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，如此则可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已成为当前研究的热点之一，并在文物数字化护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。测量技术的快速发展，各种先进的测量装备及仪器也随之投入到信息化测绘作业中，信息化测绘作业也越来越向空地一体化发展。空地一体扫描技术可以定义为: 采用机载激光辅以地面三维激光等多种扫描技术，快速采集物体表面真实可靠的三维数据的技术，其流程如图 2 所示。
图2 空地一体扫描技术整体流程
1.1 硬件集成: 核心技术
空地一体扫描的核心技术包括: 位置姿态( positioandorientation system，POS) positioandorientation system，POS) 、惯性导航系统( inertial navigation system，INS) 、捷联惯性导航系统( strapdown inertial navigation system，SINS) 、惯性测器件( inertialmeasurement unit，IMU) 、激光建模测(lasermodeling instrument，LMI) 。
POS 的本质是 SINS GPS 构成的组合系统。SINS 可实时连续地测量载体的位置、速度和姿态等全部运动参数，但是其误差随时间累积。GPS 可以提供载体的高精度位置和速度，但是 GPS 信号易受到遮挡、干扰等因素影响，且数据更新率低，因此将SINS 和 GPS 相组合，可以综合二者的优点，实现优势互补，是一种较为理想的位置姿态测量系统，如图3所示。
图3 SINS 与 GPS 相结合
1.2 时间同步数: 数据采集频率内插
由于数据采集频率不同，在对数据融合时，需要以时间为标志，对数据进行内插处理和数据匹配，结合传感器检定信息，分别求得每一扫描及拍照时刻传感器的运动位置与姿态参数。
1.3 激光技术指标计算
基于激 光 技 术 指 标 的 假 设 前 提: 假 定 转 速50 圈，即每秒激光扫描仪扫描频率可达 50 条线，相当于 100 k /50-2 k 个点在 360°的空间均匀分布，此时角分辨率 = 2 × 3. 14 /2000，约为 3 mrad，在时 速50 km / h，在 100 m 外的数据点纵向和横向的间距仅为 0.3 m 左右，如图 4 所示。车行方向激光点间距计算: 车 速 50 km / h =13 m / s( 13 /50 = 0.26 m) 。扫描方向点距计算: 圆弧长 = 半径×弧度; 100×3 /1000 = 0.3 m。100 m 外半径为: 0.3/1000×100= 0.03 m，即3 cm，如图4所示。
图 4 激光建模测量设备
2.1 空地一体，多方位获取高精度点云数据
轻型无人机机载雷达搭配地面三维激光扫描仪，可快速多角度获取高精度点云数据，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
2.2 非接触式数据获取，直接采集物体表面的三维数据
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以解决危险目标、环境( 或柔性目标) 及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
2.3 主动发射扫描光源( 激光) ，不受扫描环境时间和空间的约束
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源( 激光) ，通过探测自身发射的激光回波信号获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以实现不受扫描环境时间和空间的约束。
2.4 快速、高精度获取海量点云数据
三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的，可准确反映出地物信息。
2.5 可与 GPS 系统配合使用
这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，对信息的获取更加全面、准确。内置数码摄相机的使用，增强了彩色信息的采集，使扫描获取的目标信息更加全面。GPS 定位系统的应用，使得三维激光扫描技术的应用范围更加广泛，与工程测量的结合更加紧密，近一步提高了测量数据的准确性。
3.1 实例应用
如图 5 所示，该项目位于广州番禺区，测区总面积约 18 km2，总建筑面积约 1.5 km2 ; 项目成果要求为 1 : 500 地形地籍图; 房屋依河涌而建，整体比较分散; 但房屋间距较小，小范围内房屋密集，且房屋周围树木茂密。无人机航测手段由于房屋密集几乎看不到地面，传统测绘手段由于信号遮挡，通视不便，获取目标地物真实数据也异常困难，且传统手段耗费人力物力较大，18 km2 几乎要做 6 个月。测绘精度要求本次不动产权籍调查中地籍测量精度按照国家及省相关标准执行，农村房屋测量面积量算精度要求为三级，见表1。
图 5 项目范围线
3.2 实例应用过程
采用无人机机载三维激光雷达+地面站补点的方式作业，外业投入 3 人，航飞了 20 个架次( 采用大疆飞行平台，航时有限，每架次只能飞行 16 min) ，外 业数据采集完，经过内业点云数据解算，坐标转换，再经过自主研发的 SouthLidar 软件中进行地形地籍图生产，最终生成 DLG 成果。如图 6 所示。将采集的 191 个检查点跟激光点云的地面点数据做比较，由软件自动生成图 7 中报告，最终得出高程精度中误差为 6．9 cm，116 个检查点得出的高程精度中误差为 5．1 cm，完全满足 1 ∶ 500 航测高程精度要求。
图6 设计无人机航线外业采集现场(根据激光参数)
图7 点云处理及精度监测
3.3 技术创新及 4D 产品生成
基于无人机机载三维激光雷达和地面站补点方式的技术创新如图 8—图10 所示。
( 1) 直接快速生成 DEM、DSM、DLG、DOM 等产品，达到定测、施工图设计的精度要求。
( 2) 应用机载 LiDAR 生成 0.15 m 高精度的数字地面模型，有效克服了气候多变、地形复杂、植被茂盛等难题。
( 3) 无需或极少量控制测量，减少勘察设计环节和流程，大大缩短了工作周期，提高了工作效率。由于地形条件的限制在外业采集的碎部点很难一次性生成理想的等高线，如楼顶上控制点，另外还图生产，最终生成 DLG 成果。如图6所示。将采集的 191 个检查点跟激光点云的地面点数据做比较，由软件自动生成图 7 中报告，最终得出高程精度中误差为 6.9 cm，116 个检查点得出的高程精度中误差为 5.1 cm，完全满足 1 : 500 航测高程精度要求。因现实地貌的多样性和复杂性，自动构成的数字地面模型与实际地貌不太一致，因此可以通过修改三角网修改这些局部不合理的地方。具体技术有:
( 1) 过滤三角形。可根据需要输入符合三角形中最小角的度数或最大边长大于最小边长的倍数等条件的三角形。如果出现 CASS 7.0 在建立三角网后点无法绘制等高线，可过滤掉部分形状特殊的三角形。另外，如果生成的等高线不光滑，也可以用此功能将不符合要求的三角形过滤掉，再生成等高线。
( 2) 增加三角形。如果要增加三角形时，可选择“等高线”菜单中的“增加三角形”项，依照屏幕的提示在要增加三角形的地方用鼠标点取，如果点取的地方没有高程点，系统会提示输入高程。
( 3) 三角形内插点。选择此命令后，可根据提示输入要插入的点在三角形中指定点( 可输入坐标或用鼠标直接点取) ; 提示高程( 米) = 时，输入此点高程。通过此功能可将此点与相邻的三角形顶点相连构成新三角形，同时原三角形会自动被删除，如图 11 所示。
图 8 基于激光雷达的植被穿透直接获取地面点的数据
图 9 基于车载三维数据采集系统模型的数据采集技术
图 10 制作系统空间同步数据———重复轨迹检校方法
图 11 快速采集城市街景图( 南方 SouthLiDAR 软件)
基于空地一体扫描技术的车载三维数据采集系统在高楼大厦林立的城市中运行，GPS 信号时有时无。又由于交通状况的影响，车载平台时走时停，这些都使得车载系统的工作环境十分独特，同时也会存在容易失锁的地方: 如立交桥、过街天桥、高楼底下、两边是树的林荫道，一般失锁时间为 30s，因此本文关心组合导航系统的精度主要是关心在失锁30s 或 1 min 之后可以达到的精度。总体而言，空地一体扫描技术是现阶段较为新颖的技术，相对于传统全站仪、RTK技术而言，具有非接触式、效率高、速度快等优势，相对于无人机航测技术而言说具有全天候作业、高程精度高、可穿透植被缝隙直接获取真实地面高程的优势，因此在高精度地面高程测绘、地籍测绘、电力巡线、应急监测、森林植被采集及滩涂等人工无法到达的作业环境等领域有其巨大的优势，本文关于空地一体扫描技术及其应用进行分析和探讨，以及对于我国三维激光技术的推广，起到一定的促进作用。
关于 LiDAR 点云数据处理都在这里（包含软件免费数据源）