實景三維之激光點云采集技術，機載激光雷達技術是激光測距技術、計算機技術、高精度動態載體姿態測量技術(INS)和高精度動態GPS差分定位技術迅速發展的集中體現。激光測距技術在傳統的常規測量中就扮演著非常重要的角色,從最初的有反射棱鏡的測距儀系統發展到如今無合作目標的激光測距系統;GPS定位技術的出現徹底解決了海陸空的定位問題:INS和GPS的集成為確定高動態載體的姿態成為可能。以上幾種技術的成熟運用及相關技術的發展為整個系統的集成奠定了技術基礎,機載激光雷達實際上已經代表了對地觀測領域一個新的發展方向。整個系統比較復雜,就數據獲取的方式來講更像大地測量系統(通過測邊、測角進行點的定位),就數據后處理的方式來講卻更像攝影測量系統,包括地物的提取,建筑物三維重建等。實景三維之激光點云采集技術現在有以下三種技術：機載激光點云采集技術，車載激光點云采集技術，基于 SLAM 的激光點云采集技術。

　　1. 機載激光點云采集技術

　　機載激光掃描系統由激光掃描儀、全球導航衛星系統 (global navigation satellite system，GNSS)、慣性測量裝置 (inertial measurement unit，IMU) 以及高分辨率數碼相機等部件組成。機載激光掃描系統以各類低、中、高空飛行器(如航空飛機、直升機、無人旋翼機、汽艇等)為平臺獲取觀測區域的三維空間信息。按照搭載平臺的不同，機載激光掃描系統又可以分為有人機載激光掃描系統和無人機載激光掃描系統。當前，有人機載激光掃描系統主要有:加拿大 Optech 公司的Eclipse、Galaxy，瑞士 Leica 公司的 ALS系列、SPL 系列，以及奧地利 Riegl 公司的LMS-Q系列:無人機載移動激光掃描系統具有機動靈活、可控性強、成本低、受外界環境影響小等傳統測繪手段無可比擬的優勢。目前主流的無人機載移動激光掃描系統主要包括: 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室研制的 Heli-mapper 低空 LiDAR 系統; Wallace 利用八旋翼無人機系統搭載輕小型激光掃描儀構建的 TerraLuma UAV-LiDAR 系統;Riegl公司推出的無人機搭載平臺 VUX-SYS 和 minivUx;武漢大學研制的無人機激光掃系統麒麟云;東京大學在雅馬哈 RPH2 無人機平臺開發的模塊化多傳感器集成移動測量系統。

　　機載激光掃描系統通常需要在觀測區域架設一定數量的全球定位系統(globalpositioningsystem，GPS)基準站與飛行器上 GPS 進行實時差分，來提高飛行器定位的精度。此外，為了獲取觀測目標更真實的紋理信息，彌補激光數據對目標物理特性表達的不足，在飛行器上可以搭載光學成像設備，如 CCD 相機等。當前，機載激光掃描儀設備主要有多回波 LiDAR 和全波形 LiDAR 兩大類。多回波 LiDAR采用簡單的回波探測方法，如恒比鑒相器實時檢測回波，得到目標相對觀測中心的距離。全波形LiDAR 在激光束發射后以很小時間間隔(如 1ns)不斷記錄后向射信號，通過各種波形分解方法，如高斯分解、去卷積方法等，可獲取觀測目標表面的幾何信息和物理特性。

　　機載 LiDAR 系統觀測目標三維坐標原理。其中，動態差分GPS測定GPS天線相位中心的坐標IMU確定飛行器的姿態(俯仰角、航偏角和側滾角)，激光掃描儀測量激光掃描中心與觀測點之間的距離并記錄掃描鏡的方位信息，以此計算觀測點在WGS-84 坐標系下的三維坐標。由于各觀測單元(GPS、IMU激光掃描儀)測量的數據均在各自獨立的坐標系下，且參考中心和坐標軸方向都不同，需要嚴格的坐標系轉換處理。在坐標系轉換過程中涉及6 個坐標系之間的 5 步轉換。6 個坐標系分別是瞬時激光束坐標系、激光掃描坐標系、慣性平臺參考坐標系、當地水平參考坐標系、當地垂直參考坐標系以及WGS-84 坐標系。對于坐標系轉換的平移和旋轉參數，可以通過飛行作業前系統檢校結果(如: 各參考中心平移參數、安置角誤差等)、相關傳感器相互關系測定數據等來確定。

　　2.車載激光點云采集技術

　　車載激光(guang)雷達(da)優勢在(zai)(zai)于突破了傳統的(de)(de)單點測(ce)量法，具備(bei)穿透(tou)地表覆蓋的(de)(de)森林植被(bei)的(de)(de)能力，更(geng)好地獲取地形信(xin)息。將激光(guang)雷達(da)搭(da)載在(zai)(zai)機動車上，通過(guo)對(dui)道路(lu)及(ji)(ji)其兩側的(de)(de)掃描來記(ji)錄目(mu)標(biao)的(de)(de)位置和反射(she)強度(du)(du)(du)等信(xin)息，可(ke)以快速(su)、高(gao)(gao)密(mi)度(du)(du)(du)、低成本、高(gao)(gao)精(jing)度(du)(du)(du)、高(gao)(gao)自動化(hua)地完成道路(lu)及(ji)(ji)其沿線設施的(de)(de)三維信(xin)息采集(ji)，大大減少(shao)了外業采集(ji)的(de)(de)工(gong)作(zuo)量，工(gong)作(zuo)便(bian)捷,信(xin)息采集(ji)高(gao)(gao)效(xiao)，精(jing)細化(hua)程度(du)(du)(du)高(gao)(gao)。

　　隨著慣性測量器件 IMU 性能和 GPS 和INS 組合定位技術等不斷提升，加之 CCD數字傳感器、激光掃描儀等在測量精度、抗干擾、輕便、易操作等性能的提高，國內外的研究機構和公司相繼研發了各種車載移動測量系統，其中有美國JECA 公司研制的主要用來測量道路的 TruckMap 系統、德國慕尼黑聯邦大學的 KiSS 車載系統、日本東京大學空間信息科學研究中心研制的 VLSM 系統等。國內有 1999 年武漢大學研制的WUMMS 系統、武漢立得空間信息技術發展有限公司的 LD2000-RM 系統、山東科技大學和武漢大學聯合研制的車載式近景目標三維數據采集系統ZOYON-RTM系統、南京師范大學與武漢大學研制的3DRMS 系統、華東師范大學研制的“GPS/北斗雙星制導高維實景采集系統”(ECNC-VLS) 系統以及 2011 年由中國測繪科學研究院、首都師范大學等共同研制我國首臺車載激光掃描系統 SSW-MMTS,該系統采用國產全方向激光掃描儀 RA-360娉泵磅啊磅把拔挨艾挨璇腸愁摻寶彬豹俺遍出拌蚌頒安

　　在外業數據采集前，進行實地踏勘，確認采集范圍內的道路交通狀況，并在地圖上做好標記，以便在外業線路規劃中可以進行合理安排。提前規劃基站位置、行駛線路，盡量保證沿衛星信號良好的路段行駛。數據采集過程中，車速應盡量穩定，保證各個區域的點云密度大致相同。在路口地段，應該保證數據具有一定的重疊度，方便后續數據處理。

　　3.基于 SLAM 的激光點云采集技術

　　同(tong)步定位與建(jian)(jian)圖(tu) (simultaneous localization and mapping，SLAM)是指移(yi)動(dong)機器(qi)(qi)人(ren)利用自(zi)身搭(da)載的傳感器(qi)(qi)構建(jian)(jian)環(huan)(huan)境(jing)地(di)(di)圖(tu)，同(tong)時(shi)利用環(huan)(huan)境(jing)信息進行自(zi)主(zhu)定位。SLAM 技(ji)術因具有(you)較好的自(zi)主(zhu)性(xing)和精度而廣泛(fan)應用于(yu)各(ge)類移(yi)動(dong)平臺中。移(yi)動(dong)機器(qi)(qi)人(ren)在未知環(huan)(huan)境(jing)中運動(dong)時(shi)，可以通(tong)過 SLAM 系統構建(jian)(jian)環(huan)(huan)境(jing)地(di)(di)圖(tu)，同(tong)時(shi)利用構建(jian)(jian)的地(di)(di)圖(tu)進行自(zi)主(zhu)定位，SLAM。

　　設 SLAM 問題中(zhong)(zhong)待估計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)機器人(ren)(ren)運(yun)(yun)動(dong)參數(shu)(shu)為(wei)(wei) Xoxk=x,,x3，其(qi)中(zhong)(zhong)，x表(biao)示(shi)k時刻載(zai)體的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)姿參數(shu)(shu);設 SLAM 構建的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)圖可表(biao)示(shi)為(wei)(wei)一組地(di)標(biao)的(de)(de)(de)(de)(de)集合 M=mi,m,··m}，其(qi)中(zhong)(zhong)，m,表(biao)示(shi)第(di)n 個地(di)標(biao)在(zai)(zai)地(di)圖中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)。機器人(ren)(ren)在(zai)(zai)移動(dong)過(guo)程中(zhong)(zhong)可以通過(guo)傳感(gan)器對地(di)標(biao)進(jin)(jin)行觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)，這(zhe)些觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)集合表(biao)示(shi)為(wei)(wei) Zox=zoz,.·,3;而(er)驅使(shi)機器人(ren)(ren)從 x 到(dao)(dao)x轉移的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制量(liang)為(wei)(wei) ，在(zai)(zai)移動(dong)過(guo)程中(zhong)(zhong)所(suo)有控(kong)(kong)制量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)集合表(biao)示(shi)為(wei)(wei) U=uou,,u。SLAM 就是(shi)根據(ju)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)Z和(he)控(kong)(kong)制輸入 U，估計(ji)(ji)運(yun)(yun)動(dong)軌跡和(he)地(di)位(wei)置(zhi)M的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程。在(zai)(zai)SLAM 算(suan)法(fa)(fa)框架中(zhong)(zhong)，對觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)Z的(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)取(qu)部(bu)(bu)分(fen)通常被稱為(wei)(wei) SLAM 的(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)端(duan)front-end);而(er)利用Zo和(he)U對運(yun)(yun)動(dong)軌跡和(he)地(di)標(biao)位(wei)置(zhi)進(jin)(jin)行估計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)分(fen)被稱為(wei)(wei)SLAM的(de)(de)(de)(de)(de)后(hou)端(duan)(back-end)前(qian)端(duan)算(suan)法(fa)(fa)一方面(mian)要從每一幀(zhen)的(de)(de)(de)(de)(de)傳感(gan)器數(shu)(shu)據(ju)中(zhong)(zhong)提(ti)取(qu)出地(di)標(biao)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)信息，另一方面(mian)利用數(shu)(shu)據(ju)關(guan)聯(lian)方法(fa)(fa)判(pan)斷(duan)新一幀(zhen)數(shu)(shu)據(ju)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)地(di)標(biao)是(shi)首次觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)新地(di)標(biao)還是(shi)某一已經被觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)舊地(di)標(biao)。在(zai)(zai)激(ji)光雷達 SLAM 中(zhong)(zhong)，通常直接(jie)采用三維點云描述環(huan)境。建立幀(zhen)間(jian)觀(guan)(guan)(guan)測(ce)(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)關(guan)聯(lian)也是(shi)前(qian)端(duan)算(suan)法(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)重要組成(cheng)部(bu)(bu)分(fen)，數(shu)(shu)據(ju)關(guan)聯(lian)算(suan)法(fa)(fa)與地(di)標(biao)描述方法(fa)(fa)緊密聯(lian)系。

　　激光 SLAM 系統在搭載激光雷達的同時，還會搭載 IMU、相機等傳感器，形成多傳感器融合的數據采集處理框架。

　　基于 SLAM 的激光點云采集技術在數據采集的過程中，不斷進行對點云坐標的優化，輸出即成圖，也體現了實時這個概念。若測區較大，要求后續的離線高精度建圖,可以保存每一幀數據，采集完成后進行離線解算。

　　主流的商用背包式激光掃描系統主要有:瑞士 Leica 公司的 Pegasus，英國GeoSLAM 公司的ZEB Discovery，國內數字綠公司的 LiBackpack 系列，國內立得空間公司的背包俠，以及國內歐思徠公司的 3D SLAM 激光全景背負式機器人等。主流的商用手持式激光掃描系統有瑞士 Leica 公司的 BLK 系列，美國KAARTA 公司的STENCIL系列，英國GeoSLAM 公司的ZEB Horizon，ZEB REVO等。主流的商用背包式激光掃描系統，背包式激光掃描系統在不同場景下獲取的點云數據。