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）径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。

仪器要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。

典型的径向三维激光扫描仪有很多，如Optech ILRIS-36D、Leica HDS3000、Mensi GX RD 200+等。

目前三维激光扫描仪主要采用TOF 脉冲测距法(Time of Flight)，是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法，如式（1）所示。

三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。

三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X 轴在横向扫描面内，Y 轴在横向扫描面内与X 轴垂直，Z 轴与横向扫描面垂直。

由此可得三维光脚点P坐标(Xs，Ys，Zs)的计算公式：2.LiDAR测量技术的特点和优势？（10分）LiDAR测量技术有如下特点：1）数据密度高根据不同工程需要，可以灵活调节不同地表激光点采集间隔。

Leica最新型号ALS50-II设备，激光点采集间距可以达到0.15米，甚至更小，数据采集密度极大，非常有利于真实地面高程模型的模拟。

2）数据精度高与传统航摄不同，由于采用激光回波探测原理，LiDAR数据的高程精度不受航飞高度影响，且激光具有极高的方向指向性，加上LiDAR配置的高精度姿态测量系统，即使在没有地面控制点的情况下，也能达到较高的定位精度。

3）植被穿透能力强由于激光探测具有多次回波的特性，激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，更精确探测地面真实地形。

4）不受阴影和太阳高度角影响LiDAR技术以主动测量方式采用激光测距方法，不依赖自然光；而因受太阳高度角、植被、山岭等影响传统航测方式无能为力的阴影地区，LiDAR在其获取数据的精度完全不受影响。

5）人工野外作业量少采集的每个激光点都带有真实三维坐标信息，仅需布设极少量野外地面控制点用于精度检校。

6）产品丰富利用获取的高密度、高精度的点云及影像数据，可以生成：数字表面模型DSM、数字高程模型DEM、数字线划图DLG、数字正射影像DOM。

与传统摄影测量，LiDAR优势在于：（1）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。

（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）地面激光扫描系统测量误差大致可分为三类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件。

仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量误差，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；与目标物体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、气压等因素。

1）激光测距的影响激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪脉冲计时的系统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。

2）扫描角的影响扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响，扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差，扫描镜转动的微小震动#扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。

3）目标物体反射面影响目标物体反射表面的倾斜和粗糙程度都会对三维激光扫描点云的精度有很大的影响。

4）温度、气压等外界环境条件的影响温度、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密器械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空中传播而产生的折射等。

较差的外界环境条件对三维激光扫描数据的影响也较大。

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：1）定位误差：GPS 定位误差；2）测角误差；GPS/INS组合姿态确定误差和扫描角误差；3）测距误差；激光扫描测距误差；4）集成误差；系统集成误差。

1）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。

2）GPS动态定位误差主要有卫星轨道误差、卫星钟钟差、接收机钟钟差、多路径效应、相位中心不确定、还有卫星星座、观测噪声、整周模糊度求解正确与否等。

3）INS姿态测量误差姿态误差是影响定位精度的最主要的因素之一。

主要包括设备安置误差、加速度计常数误差、加速度计比例误差、陀螺仪漂移、测量噪声、轴承间的非正交性、重力模型误差、大地水准面误差等。

4）动态时延误差动态试验误差是由于定位系统和测距系统的数据采样率不一致所引起的。

包括两部分，一是由于激光测距和GPS定位数据采集率不同引起的时延改正；另一部分是由于飞机的垂直运动分量引起的附加改正。

5）二类高程误差二类高程误差就是当地面起伏较大或有一定的坡度时，由于激光脚点平面位置的误差而产生的高程方向的附加误差。

6）扫描角误差扫描电机的非匀速旋转以及扫描转镜的震动等都会给扫描角带来误差。

7）系统集成综合误差主要包括激光脉冲感应参考中心与GPS天线相位中心偏心向量的测定误差、扫描角测定误差、系统安置误差、位置内插误差、时间同步误差、地面参考站间的物产、坐标系间的转换误差、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）1）系统设计原理本系统的主要是通过三维激光扫描技术对矿区的工业广场进行三维扫描数据采集，并对采集的点云数据进行处理，对地面的不同地物如建筑物、道路等建立三维模型，实现三维可视化，并可进行各种设计如修路等。

三维激光扫描系统一般由扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统三部分构成。

激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统, 同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。

在仪器内, 通过两个同步反射镜快速而有序地旋转, 将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域, 测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离, 同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度,最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。

2）系统的测量范围和精度（1）典型的地面三维激光扫描仪毫米级精度仪器见表1。

（2）近距离的微米级仪器装备如KINICA MINOLTA VIVID9i,扫描范围0.5～2.5m,以三角测量原理，由激光扫描物体，CCD 接受物体表面的反射光。

物体形状的测量通过三角测量，转换为3D网格图而获得，同时采集表面形态和颜色数据，有可变换的望远、中焦、广角镜头，适用大小不同的物体，可获850μm的测量精度。

FARO三维激光扫描量臂(LaserScanArm),1.2m 长度测量臂可获25μm～50μm的测量精度。

通常用于如彩俑头、佛头、青铜器、御玺等国宝进行微米级精细扫描及建模。

国际上通用的激光扫描仪测量量程已可达到1000m，测距精度可达到毫米级，扫描数据采样率每秒超过1000点。

此外，各种仪器均备有功能强人的点云数据处理软件，如ILRIS3D的POLYWORKS和INNOVMETRIC，Cyrax2500的Cyelone 软件具有二维点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、数据点二维空间测量、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。

目前在数字近景摄影测量领域，有基于LIDAR技术的地面三维扫描系统，还有基于数码相机与全站仪集成的多基线影像匹配系统Lensphoto,它们能生成一样的成果——被摄(被扫描)对象密集的点云DSM 和三维立体景观，可用于煤堆，矿堆及各工种挖填方精确快速计算和制图。

3）点云数据处理软件的基本框架和功能数据采集及处理主要包括以下几个步骤：（1）建立矿区测绘基础控制网。

（2）实地扫描开采区, 获取点云数据。

（3）数据处理:①将不同控制点上获取的数据统一归化到同一坐标系统中；②自动拼接扫描数据。

具体如下：（1）点云数据的预处理①拼接:由于采用的是基于实体的点云剔除方法,所以首先要将不同测站扫描得到的点云拼接到一起。

如果是全站式扫描仪,则不需要进行点云拼接,如果不是全站式的或扫描的时候没有测定坐标,首先应该进行点云拼接。

②裁剪:对于比较明显并且容易删除的干扰地物,要首先进行人工的裁剪,以免对后面的粗差剔除进行干扰,并且可以减少数据量,方便处理。

切割后将数据导出,格式为X, Y, Z。

③采样:因为三维激光扫描点云的密度根据物体到扫描仪的距离长短而异,所以得到的点云数据是不均匀的,尤其是扫描地表的数据,疏密程度不一样,所以在数据处理前一定要先进行采样,使得采样后的点云是均匀分布的。

这样就要求采样的密度要基本和测区内比较稀疏位置的点云密度相吻合。

采出来的点云可基本做到均匀分布,从而保证了数据质量的均匀分布。

在三维激光扫描数据处理软件中进行过点云的拼接、裁剪和采样后,就可以将数据导出,输出为大地坐标X, Y, Z的格式。

（2）地表扫描点云的粗差剔除如果扫描的对象是地表,即连续曲面,要判断点云中某个点P是否保留,可以用其周围的点内插出这个点的高程Z ’,然后看内插出的高程Z ’和P点高程Z之差,大于一定的数值ε就剔除。

在进行高程插值时可使用比较简单的距离加权平均插值。