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研究生: 蔡季倫
Tsai, Chi-Lun
論文名稱: 空載光達模擬器之設計與應用
Development of An Airborne LiDAR Simulator and Application
指導教授: 尤瑞哲
You, Rey-Jer
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 測量及空間資訊學系
Department of Geomatics
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 光達模擬器率定
外文關鍵詞: Lidar, simulator, calibration
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  • 空載光達系統是由雷射掃描系統、GPS、INS 三個系統所組成,系統本身的觀測值會有誤差的產生,許多學者不斷的嘗試提出各種新且有效的率定及航帶平差方法,以改正雷射掃描的各種誤差。如能有一個可以設定不同參數以產生點雲坐標的模擬器來驗證他們所提方法的好壞,將對光達點雲的產製有所助益。因此本研究設計一空載光達模擬器,可進行航線規劃及設定雷射掃描儀參數、飛機飛航參數及誤差參數以產生一組除了偶然誤差外其餘誤差均已知的地面點雲坐標,提供檢定率定方法及航帶平差模式研究之用。
    本研究的空載光達模擬器的模型是使用Google 3D 資料倉儲中的擬真建物模型,將該建物模型匯入3D 繪圖軟體中,並與3D 繪圖軟體所繪製的地形組合成一模擬的地貌,再經由模擬器產生所需的點雲坐標。本研究所設計的光達模擬器能提供使用者依照自己的需求建置一個感興趣的光達掃描區域,亦可依使用者要求的點雲密度進行航線規劃。本模擬器可輸出的資料有飛機軌跡資料、飛航計畫、點雲坐標及各種輸入參數,供使用者做後續的分析利用。本研究設計了幾個模擬地形地物作為驗證模擬器可行性,並將掃描完成的地面點雲坐標以展圖軟體展示成果。實驗結果顯示本研究所設計的光達模擬器是簡易且可行的。

    Airborne Lidar System consists of three different systems, namely Laser scanner, GPS and INS. Inevitably, there exist errors in the observations of the systems and then in LiDAR point clouds. A number of researchers try to present various methods for the calibration and strip adjustment in order to correct the errors. It is very helpful if one can develop a simulator for airborne LiDAR data processing to test and verify the correctness of these methods. Therefore, this study designs an airborne LiDAR simulator in which not only the laser scanner parameters, the airplane parameters and various kinds of errors can be input, but also a set of LiDAR point clouds with known errors can be produced and can be used to test the calibration and strip adjustment methods.
    In this resesrch, the simulator is designed with the help of 3D building models from Google 3D warehouse and terrain data from the 3D drawing software 3DS Max. Building models and terrain are combined in 3DS Max, and are transformed into a specified format for using in the simulator. Finally, the simulator produce a set of LiDAR data desired. User can input the requested parameters to create a experimental area and can also use the output data (eq. the trajectory of airplane, errorless pointclouds) to do further analysis. In this research, several building models and terrains are used to demonstrate the simulator developed here. Their results are plotted using the software PolyWork. Our experiments shows that our developed airborne LiDAR simulator is easily used and very feasible.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 2 1.2.1 光達之誤差種類及處理方式 2 1.2.2 空載光達模擬器 3 1.3 研究方法 5 1.4 論文架構 6 第二章 空載光達系統構造及原理 7 2.1 空載光達系統 7 2.1.1 雷射掃描儀器 8 2.1.2 全球定位系統 9 2.1.3 慣性導航系統 11 2.2 空載光達定位原理 11 2.3 空載光達系統之系統誤差 12 2.4 空載光達儀器規格介紹 13 2.5 坐標系統之轉換 13 2.5.1 雷射掃描坐標系統 14 2.5.2 機身坐標系統 15 2.5.3 當地水平坐標系統 16 2.5.4 地心地固坐標系統 17 2.5.5 測站地平坐標系統 17 第三章 空載光達模擬器設計 19 3.1空載光達模擬器的設計概念 19 3.2 模型製作 20 3.2.1 Google 3D資料倉儲 22 3.2.2 3DS Max介面及功能簡介 23 3.2.3 模型格式之轉換 26 3.2.4 模型坐標系統 29 3.3無誤差的點雲資料之生成 30 3.4飛機軌跡之模擬 34 3.4.1 飛機飛行軌跡之三維坐標計算 36 3.4.2 飛機航帶之設計 37 3.4.3 姿態角的設計 38 3.4.4 航線規劃 39 3.5 含誤差的點雲資料之生成 40 3.5.1 求取模擬資料之地心地固坐標 40 3.5.2 含有誤差之點雲坐標之獲得 42 第四章 實例測試 45 4.1 光達模擬器介面操作說明 45 4.1.1 模擬器的介面 45 4.1.2 PolyWork介紹 49 4.2 實例測試 49 4.3 各光達模擬器之比較 63 第五章 結論與建議 65 參考文獻 67 附錄一 kmz檔案格式範例 71 附錄二 obj檔案格式範例 83 附錄三 模擬器輸出之資料範例 87

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