飞机泊位系统中的激光扫描数据的处理的论文

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篇1：飞机泊位系统中的激光扫描数据的处理的论文

飞机泊位系统中的激光扫描数据的处理的论文

引言

飞机泊位引导是指将到港飞机从滑行道末端导引至机坪的停机位置并准确停泊的过程。目前，飞机泊位引导主要分为两种工作方式:(1) 人工引导;(2)自动引导。人工引导是通过专业引导员站在入坞飞机的前方用专用标牌向飞行员展示各种行为语言来指示飞机的入坞信息。自动引导是通过各种类型传感器采集入坞飞机的姿态和速度信息，利用计算机对这些入坞信息进行有效处理和分析进而产生入坞飞机的引导信息，并通过停泊前方的显示设备向飞机驾驶员、副驾驶员或其他人员显示泊位引导信息。近年来，随着机场管理控制系统的自动化、网络化、一体化和智能化水平的提高，传统的人工引导方式已不能满足需求。自动飞机泊位引导系统则能有效提高机场的装备水平、运营效率、管理水平和服务质量。

自动飞机泊位引导系统按使用传感器的类型不同主要分为:(1)地埋线圈类;(2) 激光扫描测距类;(3)视觉感知类。地埋感应线圈类误差较大、易损坏、可靠性不高;视觉感知类对天气和照度有要求、适应性较差;而激光扫描测距类不受环境照度的影响、且受天气影响较小、精度较高，因而得到广泛应用。飞机泊位系统国外早有所发展，1992 年瑞典的FMT 公司研制了基于激光技术的飞机位置及咨询显示系统( aiccraftpositioning and infomation system，APIS);1995 年瑞典的Safegate 公司推出了以激光为基础的新一代Safedock引导系统。目前，Safegate 公司市场占有率达到80%。美国Honeywell 公司的可视化飞机泊位引导系统(visual docking guidance system，VDGS)和德国西门子公司的视频泊位引导系统( video docking system，VDOCKS)也得到应用。而国内还没有生产销售具有自主知识产权的泊位引导系统。

1 基于激光扫描的飞机泊位的原理与激光扫描系统的构成

基于激光扫描的飞机泊位引导系统采用水平扫描步进电机和垂直扫描步进电机驱动水平振镜和垂直振镜，对激光测距仪的发射光束和回波光束实现偏移，水平振镜和垂直振镜的偏转角及激光测距数据组合后得到3 维测量数据。3 维数据以离散点的形式描绘出飞机机头的轮廓，提取出飞机鼻尖和引擎的参量，并将引导信息显示在正对引导线安装的LED 上，从而实现入坞飞机的捕获、跟踪、引导、识别、精确定位，并要求在停止线上，飞机偏离引导线的距离小于100mm。

跟踪引导飞机泊位的过程中，双镜系统中的垂直镜跟踪飞机的鼻尖，水平镜水平扫描1 行，根据落在飞机上的扫描点，通过二次拟合，拟合出的曲线上的顶点，即距离最小值点，就是飞机的鼻尖。通过对鼻尖所在位置的坐标解算，得出鼻尖相对于引导线的偏差，判断当前飞机是否偏离引导线，并将飞机的偏离情况通过LED 屏显示，飞机员通过查看LED，调整飞机至引导线重合。在引导飞机泊位的过程中，根据飞机固有的特性，不同的型号飞机的鼻尖高度和引擎距离鼻尖的距离不同，对泊位飞机的机型进行识别。

本文中研究的飞机泊位系统基于振镜的激光扫描。激光扫描系统设计为外置于工控机的独立子系统，便于其维护与调试，提高系统的可靠Fig. 1 Laser scanning system of aircraft docking system性。控制器采用AVR32，通过输入/输出( input /output，I /O) 并行通信与现场可编程门阵列( field programmablegate array，FPGA)协同工作，完成水平和垂直扫描控制、激光扫描数据的采集、与工控机的数据通信等，而激光扫描点云数据的处理由工控机完成，并由当前数据处理结果得到下一步需采取的扫描策略。激光扫描系统通过独立的RS485 接口与工控机连接，形成一对一的通信方式。

2 激光扫描数据处理算法流程图

对激光扫描数据进行处理，主要是为了消除激光扫描数据点中的噪声点，并对该噪声点进行补偿;精简数据传输字节，以提高数据在上位机和控制板卡之间的通信速率;对扫描点数据进行曲线拟合以获得飞机的扫描轮廓，判断飞机相对停止线的左右偏离情况。

在激光扫描数据的处理过程中，主要采用了对激光扫描数据的精简和错误点标识;对激光数据进行中值滤波以消除噪声点;对机头扫描数据进行曲线拟合，以满足数据结算的需求，。

3 数据精简与错误点标识

激光扫描系统选用班纳公司的LT300 远距离激光测距仪。班纳LT300 型激光测距仪采用激光脉冲飞行时间测量法，对于自然物体表面测量范围可达300m，满足飞机泊位的距离要求，测量精度到60mm，358第39 卷第3 期王春彦飞机泊位系统中的激光扫描数据的处理满足系统的100mm 泊位误差要求。

激光测距仪以二进制输出距离值，单位为mm。输出距离值为3byte，其中byte 2 最高位始终为1;byte 1 和byte 0 的最高位始终为0。剩余的21bit 表示距离值。为了数据的.快速传输，需要在AVR32 MCU 中对数据精简处理。先将byte 2，byte 1 和byte 0 的最高位去掉。在机场的实际环境中，由于飞机泊位的最大距离不大于200m，因此表示距离值的21bit 中，使用低18bit 就可以表示200m 内的任意距离，单位为1mm，而高3bit 不使用。

激光测距仪的单次测量误差最大为60mm，小于100mm 的系统误差要求，因此在毫米量级的误差可以忽略不计。将上述18bit 量程的最低2bit 舍去，如图3 所示，不影响精度，此时距离值的最小单位为4mm。从而实现将3byte 的距离值缩减为2byte。此时可使数据传输速率增加1 /3。以距离值29121mm 为例，原存储格式为:0x814341。经过数据精简后，传输格式为:0x1470。数据精简算法示意如图3 所示，图中，MSB 表示字节的最高位(the most significant bit)，LSB 表示字节的最低位(the least significant bit)。

激光测距数据精简后，进行错误点的标识。在实际飞机泊位的过程中，由于飞机泊位系统安装位置距离飞机停止线的距离在12m 以上，整个飞机入坞区域中和飞机泊位系统的安装位置的最大距离不超过150m。因此，将精简后的激光数据值中的小于12m 和大于150m 的距离值标为0，并在上传数据给工控机之前，去除这些距离值为0 的数值。

4 消除噪声

通过对机场的现场测试数据分析可知，在连续扫描的数据中总存在一些杂散点和错误点，需要对其进行滤除。为保证数据处理的实时性，此处引入图像处理中的中值滤波算法并加以简化，使之应用于激光扫描数据的噪声去除。消除噪声的流程如图2b 所示。

将激光扫描的每行/列数据看成点集P( d1，d2，d3，…，dN)。定义前向数据差Δdb = di - di - 1。对于在一个平面上的点，di≈di - 1，Δd≈0。由于存在噪声点，且假设该噪声点的值为di，通常该噪声点值与其相邻点di - 1，di + 1的差值Δdf和Δdb会较大，其中Δdf = di -di - 1，Δdb = di - di + 1。根据机场实验得到的数据分析，设定阈值Δd = 1m，即相邻两点的距离差值阈值大于1m 时，可认为距离值发生突变，对应的激光点不在同一个平面上。

5 数据拟合

在对扫描点进行重排后，需要对扫描数据点进行曲线拟合。在实际应用中，重点关注机头位置的扫描点的曲线，根据机头外形，选择最小二乘的二次曲线进行拟合。

6 结论

针对飞机泊位对时间和精度的严格要求，本文中研究了对激光数据的处理。通对激光数据精简，解决数据传输速率过慢的问题。通过中值滤波，能较好地消除扫描点中杂散的噪声点，且通过控制中值滤波的模长可以滤除连续的噪声。通过最小二次曲线拟合，可以描绘出飞机的外形轮廓，用来判断飞机相对引导线的偏离程度。通过机场实际测试，对激光数据的处理，可以很好地保证实现飞机泊位过程的精确性。

篇2：OpenGL在激光扫描数据处理中的应用研究

关于OpenGL在激光扫描数据处理中的应用研究

结合实践经验,讨论利用OpenGL技术进行激光扫描数据处理系统开发时的几项关键技术,包括系统的数据组织,模型与视点的'定位,模型视图变换,投影变换,空间实体的拾取与选择等等.

作 者：蔡润彬 潘国荣 CAI Run-bin PAN Guo-rong  作者单位：同济大学,测量与国土信息工程系,上海,92 刊 名：测绘通报  ISTIC PKU英文刊名：BULLETIN OF SURVEYING AND MAPPING 年，卷(期)： “”(9) 分类号：P2 关键词：点云   OpenGL   激光扫描   Visual C++  

篇3：三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用论文

三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用论文

1、引言

地籍测绘在我国已有2000余年的历史，是相关土地管理部门进行土地规划、管理的重要数据来源，因此对于土地信息的真实性、可靠性和准确性有着较高的要求。但是在以往的地籍测绘工作中，传统测绘技术的应用不仅人工作业量大、操作复杂性高，在测绘精度和准确度方面也得不到有效的保证。现阶段，三维激光扫描技术作为较为常用的地籍测绘技术之一，能够有效提高我国传统地籍测绘的速度，因而受到业内人士的广泛关注。

2、三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是一种由计算机、激光发射器、接收器、光路调节装置以及激光自适应聚焦控制单位等组成的全自动的先进立体扫描技术，其工作原理如下：首先通过激光扫描、接收得到测绘对象表面点的三维坐标，然后以此为基础进行地表信息的提取，并进一步进行三维场景的构建。较常规测量技术而言，该技术具有非接触性测量、数据采样率高以及不受测区环境影响等特点，加之其本身所具有的点定位精度高、采样点速率高、软件功能全面、测量距离远以及兼容性好等优势，因此被广泛应用于建筑估计测量、文物建筑以及结构测量等诸多领域，具有明显的优越性[1].

3、地籍测绘中应用三维激光扫描技术的基本流程

3.前期准备

三维激光扫描仪本质上是一种具有机身小的全站仪系统，其功能的发挥主要还是依靠主动式激光扫描原理来实现的，因此，三维激光扫描技术的前期准备工作，只需要在现场勘查后选择合适的扫描站点即可[2].

3.2 测区站点设置

三维激光扫描仪测区站点的设置相对灵活，可以根据测区的实际情况选择地势较高的或是通视效果较好的'地方，并且要求周围没有电磁干扰。三维激光扫描仪所使用的坐标系是以站点为圆心设置的独立坐标系，当测区的控制点设置完成后，在作业行进路线上设置相应的站标，从而实现站与站之间数据的拼接[2].

3.3 扫描测量

扫描测量完成三维激光扫描仪的站点设置后，便可进行转扫操作。一般来说，每站转扫时间约4min~6min.转扫结束后，现场工作人员可以直接查看转扫效果，若点云数据存在明显问题，或扫描区域不理想，便可对站点进行调整，重新测量，确保转扫质量满足后期的数据处理要求。

在正式转扫之前，还需进行GPS接收器的设置，这样就能够在测量过程中，直接引入测区坐标系统。一般来说，转扫测量需要以建筑扫描为主，但是在部分内街巷道，由于地方较为狭窄，因此无法获得稳定的GPS信号，此时就需要将街巷作为主要的测量对象，并且在房屋较密集区，布设多个站点以保证测量效果。

在实际测量过程中，难免会遇到一些难以直接通过三维激光扫描仪获取坐标的地物，因此需要借助全站仪进行测量，尤其是地籍测量后期，需要积极配合全站仪的测量工作，在方便后期数据拼接处理的同时，也为三维激光扫描测绘的精度控制提供了对比。

3.4 数据处理

当完成转扫测量工作后，需要对获取到的三维点云数据进行测站的拼接，虽然设置的每个站标都有所不同，但三维激光扫描系统可以自动识别站标的十字靶心，这样就可以减少人为操作所造成的误差，有利于提高测量的精确度。基于此，内业工作人员在进行拼站工作时，可以以某一站作为点云数据拼接的基准点，然后依次加载临近站点的数据，系统可以站点坐标进行初步的识别与拼接。拼接完成后，工作人员需要根据作业底图和相关影像数据对整体拼接效果进行查看，避免拼接误差的产生。另外，受计算机系统处理系统的限制，工作人员需要注意分块、分批进行点云数据的处理，在确保测区拼站精度的同时，保障点云数据的处理速度。

4、三维激光扫描技术的应用实践

文章以TrimbleTX8（增强型）地面三维激光扫描仪在苏州某农村地区的具体应用实践，阐述三维激光扫描技术的作业效率及精密度。

4.区域概况

该实践位置是苏州某农村地区，项目涉及6个镇区，89个行政村，约5万宗地。项目超过30%的测区使用三维激光设备进行作业，作业中，对房屋密集区采用1档进行作业，而房屋稀疏区域，为了保证点云密度，采用2档进行作业，单站测量时间为2~3min,每日扫描站数约120~150站，测量宗地约80~100宗，这样的作业效率相较于传统全站仪作业，至少提高了4倍，且其对作业人员素质要求也更低，作业人员在工作中只需要转站和启动仪器即可。

4.2 应用TrimbleTX8的效果

为了验证TrimbleTX8的扫描效率和测量精准度，下面以表格的形式加以说明。

通过分析表1的数据可知，三维激光扫描技术比传统的地籍测量技术相比，工作效率高，优势明显，最重要的是应用该技术可以在夜间进行工作，因此很适用于工期紧迫，需要全天候作业的工程项目，同时应用该技术还能有效保证测量结果的精准度。

下面为了验证三维激光扫描技术的地籍测量精度，用全站仪对三维激光扫描设备作业的区域进行质量检查，共复测界址点3446个，复测坐标的中误差为2.99cm,最大偏差为8.9cm,具体的数据如表2所示。

由上表2可以看出，在农村地籍测量中应用三维激光扫描技术完全可以保证测量精准度，对3446个界址点进行抽查并分析，测量精度低于1倍中误差的比例已经达到了78.64%,在2倍中误差以内的是100%,通过上述数据足以证明三维激光扫描技术的精确度了。

5、结语

在地籍测绘工作中，三维激光扫描技术的应用，在很大程度上提高了地籍测绘的效率和测绘精度，因此，相关测绘人员需要积极研究三维激光扫描技术的应用范围，提高测绘水平，进而能够帮助国家更好地进行国土资源管理。

参考文献：

[1]张振勇。三维激光在地籍测绘中的应用[J].硅谷，（23）：71-71.

[2]周文婷。浅谈三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用[J].科技创新与应用，（18）：300.

篇4：重庆罗汉寺文物保护工程中激光扫描技术的运用分析论文

重庆罗汉寺文物保护工程中激光扫描技术的运用分析论文

0 引 言

三维激光扫描技术是近年来发展起来的测绘新技术，它与传统测绘方法相比具有明显的优越性。它可以在短时间内采集海量的目标点坐标，测量精度很高。形成的点云，可以进一步处理构建目标三维模型，真实再现目标面貌。三维激光扫描技术在地面景观形体测量、复杂工业设备测量与建模、建筑与文物保护和城市三维可视化模型建立等各个方面都有广泛的应用。

重庆罗汉寺是全国汉族地区重点佛教寺庙之一，始建于北宋治平年间，至今已有近千年的历史。因为罗汉寺建筑时间久远，其建筑因破损需要维修，而大部分建筑均无建筑图纸等资料及数据。因此，本项目采用三维激光扫描技术对罗汉寺内主要建筑物进行三维扫描测量，获取建筑物顶高及建筑主体轮廓的精确尺寸，建立三维仿真系统，留下宝贵的历史档案。

1 三维激光扫描仪和相关软件介绍

1. 1 三维激光扫描仪 VZ - 1000

本项目采用的是奥地利 RIEGL 公司的最新一代激光扫描仪 VZ -1000 三维激光扫描仪。该仪器由高精度、长距离三维激光扫描仪和高分辨率的数码相机组成。VZ -1000 三维激光扫描仪最远扫描距离可达 1 400 m,测量精度优于 5 mm,建模精度优于 2 mm,并且该仪器配有云台设备可以采用不同倾角对建筑进行扫描。

1. 2 相关软件介绍

1） RiSCAN PRORiSCAN PRO 是三维激光扫描仪 VZ 系列的自带软件。用户可以用 RiSCAN PRO 软件配置传感器参数、进行数据获取、数据显示、数据处理和数据存档等操作。

2） Geomagic Studio由美国 Raindrop （ 雨滴） 公司出品的逆向工程和三维检测软件 GeomagicStudio 可轻易地利用扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。

2 建筑物数据采集方法

运用三维激光扫描仪对罗汉寺内主要建筑物及罗汉（ 塑像） 进行三维数据采集。由于建筑物造型复杂，数据获取困难，因此需要进行多站扫描，同时配备“云台”设备获取整体数据。

罗汉寺的数据采集复杂多样，其内建筑物多、密度大，同时由于景区人数多、客流量大，为了保证扫描效果和工作效率，扫描采用“粗扫”和“精扫”相结合的方式进行数据采集。“粗扫”时采用 360°的扫描方式进行，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处 0. 05 m,扫描一周时间为 2 min.“粗扫”目的是为了获得测站四周建筑物整体的轮廓点云数据。“精扫”时采用选择特定区域，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处0. 02 m方式进行，“精扫”目的是为了获得主要建筑物的重要区域的精细点云数据。采用“粗扫”和“精扫”相结合的作业方式，保证了扫描数据满足工程精度要求，同时尽可能提高了工作效率。

由于需要测量罗汉寺内主要建筑物的顶高数据，在数据采集时采用了“云台”测量工具，该工具可以在垂直方向上从 0° ~90°进行变化，把激光扫描仪架设在该“云台”上，通过“云台”的角度变化进行倾斜扫描。采用“云台”技术进行数据采集，与常规扫描采集点云数据要求一致，主要采集了建筑物顶部数据。

为了使建立的三维模型真实及纹理清楚，在三维数据获取时，采用专用相机获取影像数据。为满足三维仿真系统建设的需要，对未获取影像的区域，采用单反相机单独拍摄。

3 建筑物点云数据处理方法

3. 1 数据预处理

采用三维激光扫描仪配套数据处理软件 RISCANPRO,对多次扫描数据进行拼接，其拼接精度达到 2 cm.

由于罗汉寺内建筑物繁多，分布密集。整体浏览和处理都不方便，为了更快捷、清楚地对数据进行处理，需要对罗汉寺整体点云数据进行裁剪。通过 RISCAN PRO 软件的裁剪功能对点云数据的裁剪，获得罗汉寺内主要建筑物的独立点云数据。

由于原始扫描的建筑物点云数据没有颜色信息，浏览和处理并不直观，仅仅依靠激光点云对物体进行三维建模是不够的，缺乏对表面纹理特征的有力表达，因此，采用影像匹配技术对点云赋予颜色。

3. 2 建筑物特征提取方法

通过三维激光扫描获得罗汉寺建筑物数据是三维点数据，对建筑物而言，其关键数据是建筑物各重要部位的.轮廓线数据，建筑物轮廓线数据也是其设计、修复、建模的基础数据。因此，需要对罗汉寺的主要建筑物的轮廓特征进行提取。将整理好的罗汉堂点云数据，导入自主研发的点云数据处理程序，进行数据处理。该程序主要包含点云电力线提取、点云斜坡提取、点云特征提取、点云线地物搜索等用于地形处理的功能。

运用点云数据处理程序相关功能，提取建筑物的外围轮廓线、屋脊线等。通过软件提取，最终得到罗汉寺主要建筑的特征线如图 1 所示。

基于对文物保护需求，需要采集罗汉寺内各建筑顶部的准确高程数据。此前地形图测量时，受条件的限制，只采集了部分建筑的顶部高程数据，而点云数据中涵盖了所有的建筑物顶部高程数据，采用 RISCAN PRO 的点特征提取功能，提取所有高程数据。与常规采集数据进行比较，同部位高程差最大值为 12 mm.

3. 3 精细模型制作

对采集的罗汉（ 塑像） 进行精细模型制作。模型制作时，根据点云数据，提取特征线，匹配现场采集的影像资料，进行点云数据拼接、裁剪，获取罗汉（ 塑像） 的精细点云数据。将点云数据导入 Geomagicstuido 点云建模软件进行精细建模处理，先对点云数据进行降噪处理，然后对点云数据进行封装，通过封装使点云数据生成空间三角网模型数据，对空间三角网模型数据进行补洞、平滑、修复等优化处理，得到罗汉（ 塑像） 精细三维模型。该三维模型为后期维修等留存宝贵的历史数据资料。

3. 4 三维仿真系统建设

根据前述各工序获取的地形图、三维点云数据、影像数据等资料，利用三维建模软件 3DS Max 或 CREATOR 等进行模型制作并贴上真实材质。采用自主研发的集景-三维仿真平台建立罗汉寺三维仿真系统，实现场景的快速浏览漫游，建构筑物的快速查询和三维定位等。系统中保留罗汉寺详细的历史信息，留下文物的详细历史档案，为后期管理提供一个直观、科学的平台。如图 2 所示。

4 结束语

本文采用三维激光扫描技术应用于重庆罗汉寺文物保护工程，通过外业数据采集，内业数据处理，对建筑物进行轮廓特征提取，构建精细三维模型，建立三维仿真系统，为罗汉寺的文物和建筑留下了宝贵历史档案，为后期维修等工作提供了依据。通过该项目的实施为三维激光扫描技术对古建筑的数字化保护探索了一条可行的技术路线。（图略）

参考文献：

[1] 王晏民，郭明，王国利。 利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图[J]. 北京建筑工程学院学报，2006,22（ 4） :19 - 22.

[2] 郑德华，雷伟光。 地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测，2003（ 2） : 26 -28.

[3] 余明，丁辰，刘长征。 北京故宫修复测绘研究[J]. 测绘通报，2004（ 4） : 11 -13.

[4] 曹先革，杨金玲，司海燕，等。 地面三维激光扫描点云数据精度影响因素及控制措施[J]. 测绘工程，2014,23（ 12） : 5 -7.

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[7] 张远智，胡广洋，刘玉彤，等。 基于工程应用的三维激光扫描系统[J]. 测绘通报，2002（ 1） : 34 -36.