車載激光測(cè)繪系統(tǒng)技術(shù)分析與研究_第1頁(yè)
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1、車載激光測(cè)繪系統(tǒng)技術(shù)分析與研究摘要:論述了車載激光測(cè)繪系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)原理、數(shù)據(jù)處理及特點(diǎn)等相關(guān)理論,提出了車載激光測(cè)繪系統(tǒng)在目前實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題,并展望了車載激光測(cè)繪系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:車載激光測(cè)繪系統(tǒng);技術(shù)原理與數(shù)據(jù)處理;技術(shù)分析;1 引言20 世紀(jì)80 年代末,激光測(cè)繪技術(shù)在多等級(jí)三維地球空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面取得了重大突破,數(shù)據(jù)的獲取方式逐步由人工單點(diǎn)獲取,朝著連續(xù)自動(dòng)獲取的方向發(fā)展,使數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化、智能化成為可能。激光測(cè)繪技術(shù)直接獲取高精度三維數(shù)據(jù),與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)越性,可廣泛應(yīng)用于三維空間數(shù)據(jù)的采集與更新。由于實(shí)際場(chǎng)景的多樣性和復(fù)雜性,各種采

2、集目標(biāo)地物的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)相繼問(wèn)世,根據(jù)傳感器搭載平臺(tái)的不同可分為星載、機(jī)載、地面激光掃描測(cè)量系統(tǒng)。由于采用星載或者機(jī)載傳感器來(lái)采集地面目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)造價(jià)相對(duì)較高且僅能夠采集到城市等建筑物密集區(qū)域目標(biāo)物體的頂面信息,對(duì)于近景三維目標(biāo)的信息采集受到限制,因此車載激光掃描系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)。車載激光測(cè)繪依托于我國(guó)稠密的公路網(wǎng),能夠覆蓋絕大多數(shù)測(cè)繪區(qū)域,作業(yè)靈活,使用資源很少,具備低成本、高效率、快速測(cè)量等特點(diǎn),對(duì)我國(guó)數(shù)字化城市建設(shè)以及軍事測(cè)繪等測(cè)繪工程提供了有力的技術(shù)支持。2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前,國(guó)外已推出的一些產(chǎn)品,如加拿大Optech公司的LYNX 移動(dòng)激光測(cè)量車、美國(guó)Applanix

3、公司的LandMark、英國(guó)3D Laser Mapping 公司的StreetMapper 360、美國(guó)MDL 公司的Dynascan、日本TOPCON 公司的IPS2、諾基亞所屬公司NAVTEQ 的激光采集車、德國(guó)SITECO公司所生產(chǎn)的Road Scanner 以及Google 使用的街景采集車。國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京師范大學(xué)、華東師范大學(xué)、北京首都師范大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)研究并推出類似產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的集成原理都是相似的,不同之處主要是面向的市場(chǎng)需求不同,所采用傳感器的類型和技術(shù)指標(biāo)也不同。目前市場(chǎng)上存在的車載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)供應(yīng)商主要有TOPCON,TRIMBLE,OPTECH,

4、RIEGL,MDL 和SITECO 等。圖1 LYNX 移動(dòng)激光測(cè)量車圖2 美國(guó)MDL 公司的Dynascan圖3 StreetMapper 360圖4 日本TOPCON 公司的IPS23 技術(shù)原理與關(guān)鍵技術(shù)車載激光掃描系統(tǒng)是在垂直于行駛方向做二維掃描,以汽車行駛方向作為運(yùn)動(dòng)維,構(gòu)成三維掃描系統(tǒng),其所獲得的數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點(diǎn)構(gòu)成的“點(diǎn)云”,每一個(gè)像素所包含的是一個(gè)距離值和一個(gè)角度值。就數(shù)據(jù)獲取方式而言,車載激光掃描更像大地測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)測(cè)邊、測(cè)角進(jìn)行定位; 就數(shù)據(jù)后處理方式而言卻更像攝影測(cè)量系統(tǒng),使用共線方程的方法,由位置姿態(tài)(POS) 系統(tǒng)獲取車載GPS 天線相位中心坐標(biāo)與慣性導(dǎo)航系

5、統(tǒng)(IMU) 獲取的翻滾、俯仰和偏航等數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,得到影像的六個(gè)外方位元素,利用其進(jìn)行攝影過(guò)程的幾何反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)車載激光掃描系統(tǒng)直接對(duì)目標(biāo)定位。3.1 系統(tǒng)構(gòu)成移動(dòng)激光測(cè)量技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的一種測(cè)繪手段,其系統(tǒng)構(gòu)成為: 用于導(dǎo)航定位的航向或距離傳感器( 如GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)( IMU) 、里程計(jì)等) 和用于掃描或攝影成像的傳感器( 如線/面陣CCD、激光掃描儀等) 以及汽車承載工具。其中三維激光掃描儀使用激光測(cè)距機(jī)械掃描工作體制。載車為激光測(cè)繪系統(tǒng)的移動(dòng)工作平臺(tái),提供各測(cè)量設(shè)備的安裝平面及電力供應(yīng);三維激光掃描儀是測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵傳感器,對(duì)探測(cè)區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量;CCD 相機(jī)作為影像

6、傳感器,提供激光掃描儀探測(cè)區(qū)域目標(biāo)的屬性信息;衛(wèi)星定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供載車的位置信息和姿態(tài)信息,為激光掃描儀的測(cè)量數(shù)據(jù)在全球坐標(biāo)系中定位提供必要的信息,綜合信息處理系統(tǒng)完成多傳感器的數(shù)據(jù)處理與融合,最終生成測(cè)繪信息。GPS/IMUCameraLidarAngle encoderData processingComputerCar圖5 車載測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)成圖3.2 系統(tǒng)工作過(guò)程首先,利用GPS 對(duì)載車進(jìn)行定位,獲得準(zhǔn)確的測(cè)量原點(diǎn)大地坐標(biāo)。再利用GPS 和IMU 對(duì)載車測(cè)繪基準(zhǔn)的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量,得到大地坐標(biāo)系下三維激光掃描儀的高低角、偏航角以及滾動(dòng)角。然后,利用三維激光掃描儀對(duì)測(cè)繪點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量,

7、得到測(cè)繪點(diǎn)相對(duì)于測(cè)繪基準(zhǔn)的方位角、高低角以及距離。通過(guò)坐標(biāo)換算得到測(cè)繪點(diǎn)的大地坐標(biāo)。目標(biāo)的屬性等信息通過(guò)CCD相機(jī)同步采集的照片進(jìn)行辨識(shí)。最后,生成測(cè)繪產(chǎn)品輸出。3.3 系統(tǒng)測(cè)量原理YXZ(XGPS,YGPS,ZGPS)YXZRM(qyaw,qpitch,qroll)圖6 測(cè)量原理圖圖中,M 為被測(cè)量點(diǎn), 坐標(biāo)設(shè)為(X,Y,Z)。XGPS、YGPS、ZGPS為載車坐標(biāo),由GPS 提供。當(dāng)測(cè)量目標(biāo)時(shí),三維激光掃描儀與大地坐標(biāo)軸夾角由IMU 和GPS 測(cè)得,分別得到姿態(tài)角度yaw、pitch、roll, 目標(biāo)相對(duì)激光雷達(dá)坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)為(Xlaser,Ylaser,Zlaser),可以由激光掃描儀

8、測(cè)得的目標(biāo)距離和目標(biāo)視線角度計(jì)算得到。目標(biāo)點(diǎn)的位置算法如下: 式中: 設(shè)目標(biāo)相對(duì)于激光掃描儀視線角度分別為A(水平角)、E(高低角),目標(biāo)距離為R,則:3.4 關(guān)鍵技術(shù)高速度、高分辨率激光掃描技術(shù)激光掃描是依據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度和空間分布要求,通過(guò)機(jī)械和光學(xué)掃描的方式將激光測(cè)量光束按采樣要求精確投射到測(cè)量表面的過(guò)程。高密度快速精確采樣測(cè)量是車載三維激光掃描測(cè)量的重要特征,而高精度、高速度、高分辨率激光掃描技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高密度精確采樣測(cè)量的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)高密度快速采樣,首先要求激光點(diǎn)頻高,通常需要10 kHz 以上的激光點(diǎn)頻率,某些機(jī)載測(cè)量產(chǎn)品需要高達(dá)200 kHz 的激光點(diǎn)頻率。車載激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)頻率

9、的需求是從車速、掃描角范圍、要求的采樣密度計(jì)算得到。其次,為了實(shí)現(xiàn)均勻采樣,對(duì)掃描點(diǎn)的均勻性要嚴(yán)格控制。 高精度自然目標(biāo)激光掃描測(cè)距技術(shù)距離信息是激光測(cè)繪的重要參數(shù)之一,目標(biāo)的坐標(biāo)由距離信息計(jì)算得到。由于自然目標(biāo)類型復(fù)雜、光學(xué)特征差異大等原因,針對(duì)自然目標(biāo)的激光測(cè)距一般很難獲得較高的測(cè)距精度,這是直接影響三維激光掃描測(cè)量精度的一個(gè)重要因素。大氣擾動(dòng)、目標(biāo)表面的不同光學(xué)特征引起的信號(hào)起伏、相鄰目標(biāo)距離的劇烈變化等因素都是影響激光測(cè)距精度的重要原因。技術(shù)上,在快速掃描狀態(tài)下對(duì)自然目標(biāo)的高精度激光測(cè)距往往采用窄脈沖激光和恒比定時(shí)技術(shù),以削弱主回波前沿的抖動(dòng)。而為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的恒比定時(shí),要求系統(tǒng)能夠有效

10、地抑制大動(dòng)態(tài)范圍變化帶來(lái)的信號(hào)微弱和信號(hào)飽和的快速交替變化,這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。多傳感器協(xié)同與定標(biāo)技術(shù)多傳感器的協(xié)同與定標(biāo)是將用于測(cè)量的多個(gè)傳感器納入統(tǒng)一坐標(biāo)系和時(shí)間基準(zhǔn)下,實(shí)現(xiàn)同步控制、測(cè)量與解算,是獲得高精度測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。目前的技術(shù)手段尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)多傳感器測(cè)量原點(diǎn)的高精度重合,測(cè)量時(shí)間也很難保持完全同步。測(cè)量原點(diǎn)不重合,在計(jì)算過(guò)程中難免引入誤差,需要使用高精度測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確測(cè)量各測(cè)量原點(diǎn)間的空間幾何關(guān)系,得到安裝矩陣,在運(yùn)算中引入安裝矩陣計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。通常需要使用全站儀、立方鏡以及激光準(zhǔn)直器等實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的安裝矩陣測(cè)量。車載測(cè)量設(shè)備是在運(yùn)動(dòng)中測(cè)量,不同時(shí)刻,測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)不同,因此,需要

11、統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn),確保每個(gè)傳感器的測(cè)量時(shí)刻控制在允許的誤差范圍內(nèi)。多數(shù)大型測(cè)量系統(tǒng)中,使用GPS 授時(shí)時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn),利用自身的高精度時(shí)鐘作為本地時(shí)鐘,本地時(shí)鐘在一定時(shí)間內(nèi)使用GPS 授時(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)。由本地時(shí)鐘分頻后滿足多個(gè)傳感器不同的時(shí)鐘頻率需求。同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算傳感器測(cè)量時(shí)刻與時(shí)鐘的誤差,利用插值算法修正傳感器測(cè)量時(shí)間誤差引入的測(cè)量誤差。4 技術(shù)特點(diǎn)車載激光掃描系統(tǒng)研制的目的首先是城市環(huán)境的快速三維建模,在建模的基礎(chǔ)上再對(duì)建好的立體模型進(jìn)行量測(cè)。與其他測(cè)量手段相比具有以下特點(diǎn)。1) 該系統(tǒng)借助于搭載在運(yùn)動(dòng)載體上的傳感器并輔之以導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行載體的絕對(duì)位置獲取通過(guò)建立相對(duì)位置傳感器和絕對(duì)位置傳感

12、器統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)的融合,既滿足建模的高效、精細(xì),又滿足測(cè)量的高精度。2) 數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含物體表面精細(xì)的數(shù)據(jù)信息,每個(gè)點(diǎn)均帶有三維坐標(biāo)信息和回光強(qiáng)度值,真實(shí)地展現(xiàn)了物體的原貌,可以有效解決形狀復(fù)雜物體的建模問(wèn)題。3) 在城市人口、建筑密集區(qū),無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下,可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速地采集目標(biāo)地物的三維信息。4) 與機(jī)載系統(tǒng)相比,獲取數(shù)據(jù)為三維空間物體立面的幾何信息,距離物體較近,數(shù)據(jù)精度也相對(duì)提高,節(jié)約了成本。5 數(shù)據(jù)處理過(guò)程數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分類和建筑物特征提取。1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理目的就是將車載激光掃描系統(tǒng)采集的GPS數(shù)據(jù)、三維激光掃描儀

13、數(shù)據(jù)等聯(lián)合解算得到數(shù)據(jù)后處理所用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)位置姿態(tài)數(shù)據(jù)激光發(fā)射點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)激光數(shù)據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)CCD數(shù)據(jù)彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖7 數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程2) 數(shù)據(jù)濾波主要是去除測(cè)量噪聲和提取地面點(diǎn),得到后續(xù)處理所需要的原始數(shù)據(jù)。3) 數(shù)據(jù)分類以自動(dòng)化和人工交互相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn),目的是將濾波后的激光掃描數(shù)據(jù)區(qū)分為地面點(diǎn)和其他不同種類的地物點(diǎn)。4) 建筑物特征提取從分類后的數(shù)據(jù)中提取建筑物數(shù)據(jù),從中提取建筑物特征。目前,市場(chǎng)上已有大量點(diǎn)云處理軟件,包括AutoDesk和MicroStation 等大型設(shè)計(jì)軟件,它們提供一系列用于點(diǎn)云可視化、形狀提取和CAD 建模的工具,ESRI 甚至提供了點(diǎn)

14、云在GIS 和制圖中應(yīng)用的模塊。點(diǎn)云在具體應(yīng)用中,不得不借助多個(gè)軟件,使用人工交互的方式完成。6 結(jié)論車載激光測(cè)繪系統(tǒng)作為一種新興的三維空間信息數(shù)據(jù)采集手段,能夠快速、實(shí)時(shí)、精確地完成道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的采集和處理,有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)繪方式的不足,最大程度地實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的快速采集和更新,節(jié)約了成本,能充分滿足當(dāng)今地理信息系統(tǒng)的需要。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷完善及商業(yè)化的成熟,車載激光測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也會(huì)不斷擴(kuò)大,必將成為城市信息化采集的重要手段,具有重要的研究和社會(huì)價(jià)值。車載激光測(cè)繪系統(tǒng)作為新興技術(shù)在不斷完善的同時(shí),也還存在一些不足之處:1) 激光掃描儀是個(gè)構(gòu)造

15、復(fù)雜的集成系統(tǒng),其難以檢校與維修; 儀器昂貴,主流掃描儀售價(jià)在100萬(wàn)人民幣以上,市場(chǎng)定位為高檔設(shè)備,其過(guò)高的價(jià)格限制了其技術(shù)的推廣。2) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力,處理時(shí)間是數(shù)據(jù)采集時(shí)間的10倍。掃描易,處理難,而且對(duì)數(shù)據(jù)的合理利用還有待開發(fā)。3) 掃描后處理軟件技術(shù)不夠完善,各廠家自成一體,互不兼容。缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),缺乏實(shí)用而價(jià)格相對(duì)便宜的軟件。4)國(guó)內(nèi)對(duì)地面三維激光掃描儀的研究主要集中在科研院校,沒(méi)有形成集開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體的團(tuán)隊(duì)。參考文獻(xiàn):1 陳允芳,葉澤田,謝彩香,等.IMU/DGPS 輔助車載 CCD及激光掃描儀三維數(shù)據(jù)采集與建模J.測(cè)繪科學(xué),2006,31( 5):91922 盧秀山,李清泉,馮文灝,等車載式城市信息采集與三維建模系統(tǒng)J 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版),2003,36( 3):76803 李媛.車載激光掃描系統(tǒng)及其在城市測(cè)量中的應(yīng)用J.測(cè)繪與空間地理信息,2012

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