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东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术东北大学研究生考试试卷考试科目：现代摄影测量技术课程编号：阅卷人：考试日期：2012.06姓名：陈晓玲学号：1101661注意事项1．考前研究生将上述项目填写清楚2．字迹要清楚，保持卷面清洁3．交卷时请将本试卷和题签一起上交东北大学研究生院评分东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术现代摄影测量技术期末考试题（共5题总分100）一、简答题1.激光扫描测量技术的原理？（10分）激光（Laser）是受激辐射产生的光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionRadiation）。它是激光工作物质的原子受激产生辐射跃迁，形成粒子束反转并达到一定的程度，经光学谐振腔放大达到震荡后产生的，它与其他物质自发辐射的发光机理不同，因而具有方向性好、亮度高、单色性和相干性好等优点。因此，激光技术在国民经济的许多领域得到广泛的应用，同时激光技术也得到不断的发展。激光扫描测量技术工作的基本原理是以脉冲激光或连续激光为辐射源、以激光波数扫描的工作方式来获取区域目标的特征或距离的，广泛地应用于医学、出版印刷、传真、测量等领域。在测绘领域，激光扫描测距的运用给机载地面测绘带来了一场革命，它大大提高了作业效率和测绘能力，以激光扫描测量技术为核心的机载地面测绘系统能够提供亚米级测量精度和米级分辨率的地面物体的三维坐标，与遥感影像配合，更加增强了对地物的识别能力。2.机载LiDAR测量技术的特点和优势？（10分）1）机载LiDAR测量技术的特点（1）可以通过扫描装置远离机身扫描航线，并沿地面采集点状数据；（2）可自动调节航带宽度，使其精确地与航摄宽度相匹配，而常规航摄需保持航带间60%左右的重叠；（3）其平面精度可达1m，其高程精度可达15cm，扫描采集间隔可达2-12m；（4）不易受阴影和太阳角度的影响，从而减少太阳角度和阴影对数据采集的影响，并且其高程精度可不受航高限制；（5）利用测量每个激光脉冲从发射源到被测物体表面再返回系统的时间来计算距离；（6）航摄时配合动态GPS及惯性测量系统IMU，即可获取脉冲发射瞬间射点的空间坐标及其空间姿态，从而解算出被测物体的三维坐标。2）机载LiDAR测量技术的优势（1）具有几乎完全自动化的潜力，主动获取地面数据，逐点采样。（2）数据点分布均匀，精度一致，不受阴影的影响，植被穿透能力强，探测真实树下地形。（3）直接获取地面三维数据，容易实现数据处理自动化。（4）短时间内获取大面积区域，不受太阳高度角影响，抗天气干扰能力强。东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术（5）数据量大，新技术需不断发展，具有很大发展潜力。（6）直接获取地面三维坐标,野外工作量小。（7）能够识别比激光斑点小的物体，如输电线等。二、论述题1.地面激光扫描测量技术的误差来源，影响地面激光扫描系统测量精度和测量范围的因素？（20分）地面三维激光扫描系统扫描过程中，影响最终获取数据精度的误差是多方面的，误差包含粗差、系统误差和随机误差三部分。许多的误差来源也是传统测量工作中普遍出现的。如激光束发散特性，导致在距离扫描测量中的角度定位的不确定性，扫描系统各个部件之间的连接误差等，这些不确定性因素都会造成最终的点云数据中含有误差。系统的误差传播同样遵循测量误差传播的基本规律。作为一种多传感器的集成系统，地面三维激光扫描系统的各部件组成部分之间通过一定的轴系来维持整个系统的运转。在操作中，造成获取数据含有误差的因素包括:l)轴系之间的相互旋转引起的测距和测角误差;2)扫描系统通过旋转的棱镜镜面来发射激光束到目标实体的表面，镜面的旋转同样会引起的测距误差;3)在扫描系统提供的各种外置设备，如GPS或数码相机，这种仪器的之间的绑缚会导致最终点云数据的精度降低;4)对具有绝对定向功能的激光扫描系统，测站点和后视点定位定向精度会影响着扫描获取数据的精度，如扫描仪整平对中操作中，人为因素造成的误差也是制约数据精度的一个重要原因。5)扫描系统内置或外置的相机的校对误差，相机的标定误差;6)外界环境，如温度、气压的影响，实体的反射特性等因素造成点云数据含有误差。【答案来源】马立广—地面三维激光扫描测量技术研究—武汉大学2.机载LiDAR测量技术的误差来源，影响机载LiDAR系统测量精度和测量范围的因素？（20分）机载激光雷达测量的误差按其产生的来源可分为四类：定位误差；测距误差；测角误差；集成误差和其他误差，如下图所示，东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术1）定位误差：GPS定位误差GPS定位误差是目前影响机载激光雷达测量精度的最主要误差源之一。GPS定位误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟钟差、接收机钟钟差、大气折射误差、多路径效应、天线相位中心不稳定、卫星星座、观测噪声、整周模糊度求解误差等。2）测距误差：激光扫描测距误差（1）激光扫描测距仪器误差。测距仪器的每个工作过程都会带来一定的误差，但其主要作用的是光学电路对经过地面散射和空间传播后的不规则激光回波信号进行处理来确定时间延迟带来的误差，分别有时延估计误差和时间测量误差。（2）大气折射误差。激光穿过大气时，要受到大气折射误差的影响，其影响程度取决于激光脉冲的波长，对同一种信号而言，大气折射误差主要与气温、气压和大气湿度有关。（3）同反射面有关的误差。当脉冲信号照射到地面物体表面时，当信号发生漫反射时，出现大量的反射信号被接收，会形成较大的接受噪声；当信号发生镜面反射时，可能会造成测距信号的丢失。另外，还有由于信号的多次反射而形成的测定的时间延迟。3)测角误差：（1）扫描角误差对于旋转扫描镜，通常是以一条扫描线为一个周期，每个激光脚点对应的扫描角不是实际测量的，而是根据每条扫描线总的激光点数、系统扫描角和激光脚点在该扫描线的序号推求的。因此，相应要求扫描电机匀速转动，但在设计时不能完全保证匀速转动。所以，扫描电机的非匀速转动和扫描镜的震动都会给扫描角带来误差。（2）姿态角误差IMU测量姿态误差是影响机载LIDAR定位精度的最主要误差源之一。主要包括东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术设备安置误差、加速度计常数误差、加速度计比例误差、陀螺仪漂移、轴承间的非正交性、重力模型误差、大地水准面误差等。（3）发散角误差在测角计算时，通常认为激光束是一条直线，但实际上，激光光束存在发散角。当激光束照射到地面上时，会形成一个椭圆形的光斑，光斑大小取决于飞行高度、激光光束发散角、瞬时扫描角等。假设激光光束的发散角为θ，那么激光发散角产生的角度误差最大为θ/2，该误差类似于扫描角误差。4)集成误差：（1）偏心量误差偏心量误差主要是激光发射参考点在惯性平台参考坐标系中的偏心量误差和GPS天线相位中心与惯性平台参考坐标系中的偏心量误差。偏心量误差一般需要在航检校来测定。（2）安置角误差安置角误差主要是激光扫描参考坐标系与惯性平台参考坐标系不平行而引起的误差，包括：航偏角误差、俯仰角误差、侧滚角误差。安置角误差也需要在航检校来测定。（3）内插误差内插误差是由于机载LIDAR系统的各系统的不同采样频率造成的。目前，激光扫描测距的脉冲重复频率可达20kHz，IMU的数据采样频率一般为200Hz，而GPS的数据采样频率只有20Hz。因此，为了得到每个激光脚点的位置和姿态信息，就必须对GPS和IMU数据进行内插，这样就产生了内插误差。（4）时间同步误差机载LIDAR系统主要包括激光雷达测距系统、差分GPS定位系统和姿态测量系统INS。它们是相互独立的系统，具有不同的时间记录装置，为了确定一个激光脚点的距离、位置、姿态是同一时刻的观测值，需要将它们的时间系统统一到标准UTC时间系统。在统一时间系统时，如果存在时间偏差，就会影响定位结果。5）其它误差包括动态时延误差、二类高程误差、地面参考站间的位置误差、坐标转换误差、GPS/INS组合滤波模型误差等。三、应用题1.利用现有的激光扫描测量技术和市场上已有激光扫描仪，面向矿山测量和数字矿山建设需要，设计一套数字矿山激光扫描测量系统，要求说明：1）系统设计原理；2）系统的测量范围和精度；3）点云数据处理软件的基本框架和功能；4）该系统可能的应用领域和服务对象。（共计40分）东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术激光扫描技术具有快速性，不接触性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。以下将以露天矿为例，用露天矿的激光扫描数据，建立露天采区三维高精度模型，为矿山设计、矿山生产及数据动态管理提供可靠信息。另外把激光扫描技术用于地下巷道进行测量，迅速建立好巷道模型，直观地获取了各巷道之间的空间关系，为“数字矿山”提供全面、高精度数据。1）设计原理：该系统由以下几个部分组成:PC主控电脑与软件，电控旋转台和旋转控制器，数据通信模块，激光测距系统。按功能不同可以将系统分为以下几个模块:距离测量模块，扫描伺服模块，数据传输模块，同步控制与操作模块。距离测量模块对应激光雷达，扫描伺服模块对应电控旋转台和旋转控制器，数据传输模块对应数据传输以及数据线，同步控制与操作模块对应PC电脑与软件。该系统的测量仪器选用由澳大利亚Maptek公司研制I－site4400LR扫描仪，它由扫描仪硬件和Studio软件两部分组成。I-site4400LR内部配备特别生产的数字全像彩色摄像机，可以同步收集激光扫描数据和360度高分辨率彩色纹理，彩色纹理通过扫描可以自动再现。I-siteStudio为激光扫描数据的处理和检视提供了大范围的软件模块，通过PC或现场笔记本电脑可以对大量点的采集数据集进行有效的查询、建模和操作处理。I-site4400LR在仪器外壳内部设计了机动的测量质量望远镜，可以用于后视，红色激光指示器可用于地下和隧道工程。仪器倾斜可通过内置的数字水准补偿器自动校正。I-site4400LR在已知坐标值上进行设置，后视观测在10弧秒内。设置参数、后视坐标和仪器高度和扫描数据同时储存，所以扫描一直是处于一个正确的坐标系统中。其主要技术参数如下：射束发散性：1.4mrad；对于黑色煤（5～10％的反射率）；600m对于岩石/混凝土（40～50％的反射率）；测量采样率：4400点/秒；激光等级：Class3R激光产品（IEC60825－1）。2）系统测量的精度和范围测角精度：0.02°；点角距：最小0.108°；测角扫描范围：垂直80°，水平360°；测距精度：50mm；最大测量距离：150m；最小测量距离：5cm。3）点云数据处理软件的基本框架和功能点云数据处理软件的主要功能是根据点的坐标、光强、同一激光的首末反射值等信息将大量激光扫描测量数据进行分类。它可以根据一定的分类标准程序对所有的点进行批处理。另外它还可以像AutoCAD那样很方便地利用鼠标编辑图形，从不同角度观察图形。可用来计算体积、面积，生成等高线、轮廓线，洪水淹没计算。将飞机的飞行数据文件(包括飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等数据)、影像数据文件及地面数字模型文件输入系统，必要时还可以将外控数据输入系统，该软件将根据这些数据进行全自动空三平差、镶嵌，形成彩色正射影像图(DOM)。东北大学研究生期末考试题现代摄影测量技术整体的处理框架为：原始数据输入，数据配准、特征提取、三维建模与应用。（1）数据输入与输出功能：可以将由扫描仪控制软件系统生成的数据文件输入并实时显示（可切换显示与否）。另外，可支持多种扫描仪的数据格式的输入功能；数据的输出功能可以将数据成果如测量使用的点坐标成果等输出。（2）数据配准：由于测量得到的点云数据可能会出现平移错位和旋转错位，需要对这些点云数据进行整合和配准，因此必须要将不同角度，不同位置扫描得到的大容量空间数据点集转换到统一的坐标系中，称之为数据缝合，即三维点云数据的配准。这是后续数据处理的基础。（3）数据处理和三维建模：点云数据配准之后，要对点云数据进行数据噪声点的去噪；数据过滤，以简化数据量；对数据进行分割；建立规则或不规则格网；生成等值线；实现三维建模。4）系统可能