車載激光測繪系統(tǒng)技術(shù)分析與研究

1、車載激光測繪系統(tǒng)技術(shù)分析與研究摘要：論述了車載激光測繪系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)原理、數(shù)據(jù)處理及特點等相關(guān)理論，提出了車載激光測繪系統(tǒng)在目前實際應(yīng)用中存在的問題，并展望了車載激光測繪系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：車載激光測繪系統(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，激光測繪技術(shù)在多等級三維地球空間信息的實時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獲取，朝著連續(xù)自動獲取的方向發(fā)展，使數(shù)據(jù)處理的自動化、智能化成為可能。激光測繪技術(shù)直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)測量技術(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。由于實際場景的多樣性和復(fù)雜性，各種采

2、集目標(biāo)地物的激光掃描測量系統(tǒng)相繼問世，根據(jù)傳感器搭載平臺的不同可分為星載、機載、地面激光掃描測量系統(tǒng)。由于采用星載或者機載傳感器來采集地面目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)造價相對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。車載激光測繪依托于我國稠密的公路網(wǎng)，能夠覆蓋絕大多數(shù)測繪區(qū)域，作業(yè)靈活，使用資源很少，具備低成本、高效率、快速測量等特點，對我國數(shù)字化城市建設(shè)以及軍事測繪等測繪工程提供了有力的技術(shù)支持。2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，國外已推出的一些產(chǎn)品，如加拿大Optech公司的LYNX 移動激光測量車、美國Applanix

3、公司的LandMark、英國3D Laser Mapping 公司的StreetMapper 360、美國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SITECO公司所生產(chǎn)的Road Scanner 以及Google 使用的街景采集車。國內(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。目前市場上存在的車載移動激光掃描系統(tǒng)供應(yīng)商主要有TOPCON，TRIMBLE，OPTECH，

4、RIEGL，MDL 和SITECO 等。圖1 LYNX 移動激光測量車圖2 美國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動維，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構(gòu)成的“點云”，每一個像素所包含的是一個距離值和一個角度值。就數(shù)據(jù)獲取方式而言，車載激光掃描更像大地測量系統(tǒng)，通過測邊、測角進(jìn)行定位; 就數(shù)據(jù)后處理方式而言卻更像攝影測量系統(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，得到影像的六個外方位元素，利用其進(jìn)行攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)車載激光掃描系統(tǒng)直接對目標(biāo)定位。3.1 系統(tǒng)構(gòu)成移動激光測量技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的一種測繪手段，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距機械掃描工作體制。載車為激光測繪系統(tǒng)的移動工作平臺，提供各測量設(shè)備的安裝平面及電力供應(yīng)；三維激光掃描儀是測繪數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵傳感器，對探測區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行測量；CCD 相機作為影像

6、傳感器，提供激光掃描儀探測區(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，最終生成測繪信息。GPS/IMUCameraLidarAngle encoderData processingComputerCar圖5 車載測繪系統(tǒng)構(gòu)成圖3.2 系統(tǒng)工作過程首先，利用GPS 對載車進(jìn)行定位，獲得準(zhǔn)確的測量原點大地坐標(biāo)。再利用GPS 和IMU 對載車測繪基準(zhǔn)的姿態(tài)進(jìn)行測量，得到大地坐標(biāo)系下三維激光掃描儀的高低角、偏航角以及滾動角。然后，利用三維激光掃描儀對測繪點進(jìn)行逐點測量，

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

8、測得的目標(biāo)距離和目標(biāo)視線角度計算得到。目標(biāo)點的位置算法如下： 式中： 設(shè)目標(biāo)相對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，通過機械和光學(xué)掃描的方式將激光測量光束按采樣要求精確投射到測量表面的過程。高密度快速精確采樣測量是車載三維激光掃描測量的重要特征，而高精度、高速度、高分辨率激光掃描技術(shù)是實現(xiàn)高密度精確采樣測量的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)高密度快速采樣，首先要求激光點頻高，通常需要10 kHz 以上的激光點頻率，某些機載測量產(chǎn)品需要高達(dá)200 kHz 的激光點頻率。車載激光測量系統(tǒng)對點頻率

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

10、地抑制大動態(tài)范圍變化帶來的信號微弱和信號飽和的快速交替變化，這是系統(tǒng)設(shè)計的難點。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)是將用于測量的多個傳感器納入統(tǒng)一坐標(biāo)系和時間基準(zhǔn)下，實現(xiàn)同步控制、測量與解算，是獲得高精度測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。目前的技術(shù)手段尚無法實現(xiàn)多傳感器測量原點的高精度重合，測量時間也很難保持完全同步。測量原點不重合，在計算過程中難免引入誤差，需要使用高精度測量儀器準(zhǔn)確測量各測量原點間的空間幾何關(guān)系，得到安裝矩陣，在運算中引入安裝矩陣計算測量點的坐標(biāo)。通常需要使用全站儀、立方鏡以及激光準(zhǔn)直器等實現(xiàn)多個傳感器的安裝矩陣測量。車載測量設(shè)備是在運動中測量，不同時刻，測量的基準(zhǔn)點不同，因此，需要

11、統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，確保每個傳感器的測量時刻控制在允許的誤差范圍內(nèi)。多數(shù)大型測量系統(tǒng)中，使用GPS 授時時鐘作為時間基準(zhǔn)，利用自身的高精度時鐘作為本地時鐘，本地時鐘在一定時間內(nèi)使用GPS 授時時鐘校準(zhǔn)。由本地時鐘分頻后滿足多個傳感器不同的時鐘頻率需求。同時實時計算傳感器測量時刻與時鐘的誤差，利用插值算法修正傳感器測量時間誤差引入的測量誤差。4 技術(shù)特點車載激光掃描系統(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)上再對建好的立體模型進(jìn)行量測。與其他測量手段相比具有以下特點。1) 該系統(tǒng)借助于搭載在運動載體上的傳感器并輔之以導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行載體的絕對位置獲取通過建立相對位置傳感器和絕對位置傳感

12、器統(tǒng)一的時間基準(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)，又滿足測量的高精度。2) 數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的點云數(shù)據(jù)包含物體表面精細(xì)的數(shù)據(jù)信息，每個點均帶有三維坐標(biāo)信息和回光強度值，真實地展現(xiàn)了物體的原貌，可以有效解決形狀復(fù)雜物體的建模問題。3) 在城市人口、建筑密集區(qū)，無地面控制點的情況下，可以實時、動態(tài)、快速地采集目標(biāo)地物的三維信息。4) 與機載系統(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)精度也相對提高，節(jié)約了成本。5 數(shù)據(jù)處理過程數(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)射點軌跡數(shù)據(jù)激光數(shù)據(jù)三維點云數(shù)據(jù)CCD數(shù)據(jù)彩色三維點云數(shù)據(jù)圖7 數(shù)據(jù)預(yù)處理過程2) 數(shù)據(jù)濾波主要是去除測量噪聲和提取地面點，得到后續(xù)處理所需要的原始數(shù)據(jù)。3) 數(shù)據(jù)分類以自動化和人工交互相結(jié)合的形式實現(xiàn)，目的是將濾波后的激光掃描數(shù)據(jù)區(qū)分為地面點和其他不同種類的地物點。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，市場上已有大量點云處理軟件，包括AutoDesk和MicroStation 等大型設(shè)計軟件，它們提供一系列用于點云可視化、形狀提取和CAD 建模的工具，ESRI 甚至提供了點

14、云在GIS 和制圖中應(yīng)用的模塊。點云在具體應(yīng)用中，不得不借助多個軟件，使用人工交互的方式完成。6 結(jié)論車載激光測繪系統(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、實時、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，有效彌補了傳統(tǒng)測繪方式的不足，最大程度地實現(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，車載激光測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也會不斷擴大，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價值。車載激光測繪系統(tǒng)作為新興技術(shù)在不斷完善的同時，也還存在一些不足之處:1) 激光掃描儀是個構(gòu)造

15、復(fù)雜的集成系統(tǒng)，其難以檢校與維修; 儀器昂貴，主流掃描儀售價在100萬人民幣以上，市場定位為高檔設(shè)備，其過高的價格限制了其技術(shù)的推廣。2) 點云數(shù)據(jù)后處理費時費力，處理時間是數(shù)據(jù)采集時間的10倍。掃描易，處理難，而且對數(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)，缺乏實用而價格相對便宜的軟件。4）國內(nèi)對地面三維激光掃描儀的研究主要集中在科研院校，沒有形成集開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體的團(tuán)隊。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( 工學(xué)版),2003,36( 3):76803 李媛.車載激光掃描系統(tǒng)及其在城市測量中的應(yīng)用J.測繪與空間地理信息,2012