葉澤田,楊 勇,趙文吉,侯艷芳

1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100039;2.首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100048

車載GPS/IMU/LS激光成像系統(tǒng)外方位元素的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

葉澤田1,楊 勇2,趙文吉2,侯艷芳1

1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100039;2.首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100048

提出一種帶有微小轉(zhuǎn)角修正的車載激光成像系統(tǒng)外方位元素標(biāo)定方法。針對(duì)全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測(cè)量單元(IMU)和激光掃描儀(LS)集成的車載激光成像系統(tǒng)(車載移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)),該方法使用6個(gè)微小旋轉(zhuǎn)角參數(shù)和6個(gè)微小平移參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)定模型參數(shù)進(jìn)行修正。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,方法可對(duì)系統(tǒng)的安裝誤差和時(shí)間同步誤差進(jìn)行有效改正。

車載激光成像系統(tǒng);外方位元素;標(biāo)定;微小轉(zhuǎn)角

1 引 言

激光具有非常精確的測(cè)距能力,可以快速、方便、準(zhǔn)確地獲取被測(cè)物體的空間三維坐標(biāo)。隨著激光技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步,采用紅外波長(zhǎng)工作的激光掃描儀被用來(lái)構(gòu)建車載激光成像系統(tǒng),越來(lái)越多地應(yīng)用于移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)(mobile mapping system,MMS)之中。這些系統(tǒng)包括加拿大Optech的 L YNX系統(tǒng),德國(guó) 3D-Mapping的MoSES系統(tǒng),IGI和3DLM合作開發(fā)的 Street-Mapper系統(tǒng),Topcon的 IP-S2系統(tǒng)和日本東京大學(xué)的VLMS系統(tǒng)等。

標(biāo)定是保證車載移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)獲取精確數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。測(cè)圖系統(tǒng)中的標(biāo)定包括內(nèi)方位元素(內(nèi)參數(shù))標(biāo)定和外方位元素(外參數(shù))標(biāo)定,其目的是高精度地確定兩個(gè)或多個(gè)對(duì)象之間的相對(duì)位置關(guān)系。文獻(xiàn)[1]將車載系統(tǒng)的標(biāo)定分為激光掃描儀(或相機(jī))的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定、激光掃描儀與相機(jī)融合的標(biāo)定和激光掃描儀(或相機(jī))與 GPS/IMU的外參數(shù)標(biāo)定,并給出了標(biāo)定過程。文獻(xiàn)[2]將標(biāo)志點(diǎn)置于玻璃上對(duì)激光掃描儀外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)激光掃描儀外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定應(yīng)用在VLMS系統(tǒng)中。美國(guó)華盛頓大學(xué)的機(jī)器人研究室在2004年最先在基于雷達(dá)原理的激光掃描儀和面陣CCD相機(jī)標(biāo)定的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)激光掃描儀與面陣CCD相機(jī)融合的標(biāo)定[5]。國(guó)內(nèi)的研究者通過激光掃描儀與相機(jī)融合的標(biāo)定用于數(shù)據(jù)處理和三維可視化[6-9]。文獻(xiàn)[10]探討車載系統(tǒng)激光掃描儀外參數(shù)的標(biāo)定方法,但未結(jié)合GPS/IMU進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

面陣相機(jī)成像時(shí),一次可獲取同一時(shí)刻的一幅圖像,該圖像對(duì)應(yīng)一組外方位元素,在圖像上標(biāo)志點(diǎn)易于確定,因此利用一幅圖像應(yīng)用空間后方交會(huì)法即可標(biāo)定出外方位元素。而對(duì)激光掃描儀來(lái)說(shuō),同一時(shí)刻只能得到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),無(wú)法直接利用空間后方交會(huì)法求取外方位元素。激光掃描生成的點(diǎn)云圖在沒有結(jié)合GPS/IMU數(shù)據(jù)時(shí)其標(biāo)志點(diǎn)判讀較為困難,目前將激光掃描儀與 GPS/ IMU結(jié)合進(jìn)行標(biāo)定的并不多,方法也不成熟。本文將激光掃描時(shí)間作為變量引入到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中,用于控制點(diǎn)的判讀,提出一種帶有微小轉(zhuǎn)角修正的激光成像系統(tǒng)外方位元素標(biāo)定方法。

2 車載激光掃描成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究是基于課題組研制的車載移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)(mobile surveying and mapping platform system,MSMP)進(jìn)行的,MSMP是多傳感器集成系統(tǒng),由定位定姿傳感器和遙感傳感器兩部分組成[11]。定位定姿傳感器包括慣性測(cè)量單元和GPS,它們組成位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(positioning and orientation system,POS),或稱為定位定姿系統(tǒng),用于獲取系統(tǒng)時(shí)間、系統(tǒng)平臺(tái)位置和姿態(tài);遙感傳感器包括激光掃描儀和CCD相機(jī),激光掃描儀獲取目標(biāo)地物的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),CCD相機(jī)獲取目標(biāo)地物的圖像紋理數(shù)據(jù)。本文的研究主要涉及該系統(tǒng)中由 GPS/IMU/LS組成的三維激光掃描成像系統(tǒng)的外方位元素的標(biāo)定問題。系統(tǒng)中使用的激光掃描儀為SICK LMS291型號(hào)(如圖1),它采用紅外激光工作,其工作中心波長(zhǎng)為905 nm。GPS、IMU和LS等傳感器的部分技術(shù)指標(biāo)列于表1。

圖1 SICK LMS291激光掃描儀Fig.1 SICK LMS291 laser scanner

表1 傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Data of sensors

3 車載激光掃描成像系統(tǒng)外方位元素標(biāo)定方法

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)定義

車載激光掃描成像系統(tǒng)標(biāo)定中涉及下述三個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。

(1)激光直角坐標(biāo)系(l):該坐標(biāo)系由激光掃描儀的儀器軸向來(lái)確定。原點(diǎn)對(duì)應(yīng)激光掃描儀的激光發(fā)射點(diǎn)或零距離處,x軸在掃描面內(nèi)指向主掃描方向,y軸垂直于掃描面指向車行方向,z軸在掃描面內(nèi)垂直于主掃描方向指向上方。

(2)POS坐標(biāo)系(p):該坐標(biāo)系由GPS天線位置和IMU的軸向來(lái)確定。原點(diǎn)位于GPS天線中心,x軸、y軸和z軸方向由IMU的三軸方向確定。

(3)大地坐標(biāo)系(c):選用WGS-84高斯克呂格3°帶投影坐標(biāo)系。用于標(biāo)定處理的點(diǎn)云坐標(biāo)和全站儀測(cè)量坐標(biāo)均是在該坐標(biāo)系中表示。

3.2 基本原理

標(biāo)定的目的是確定激光掃描儀(LS)與定位定姿系統(tǒng)(POS)之間的相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系,POS與大地坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系。激光掃描儀與定位定姿系統(tǒng)之間的相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系用激光直角坐標(biāo)系與POS坐標(biāo)系之間的關(guān)系來(lái)表示;POS與大地坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置姿態(tài)關(guān)系用POS坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系來(lái)表示。車載系統(tǒng)中的誤差主要有各傳感器系統(tǒng)誤差、安裝誤差和時(shí)間同步誤差。儀器安裝誤差和時(shí)間同步誤差是車載激光成像系統(tǒng)外方位標(biāo)定涉及的主要系統(tǒng)誤差,前者影響空間同步精度,后者影響時(shí)間同步精度。它們均對(duì)車載系統(tǒng)測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)標(biāo)定模型沒有考慮時(shí)間同步誤差,為修正后兩項(xiàng)誤差,引入微小轉(zhuǎn)角的概念,對(duì)靜態(tài)或未顧及時(shí)間同步誤差的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正或利用概略值進(jìn)行直接標(biāo)定。

在攝影測(cè)量中,小值轉(zhuǎn)角起極大的作用[12]。利用微小轉(zhuǎn)角,對(duì)各轉(zhuǎn)角的近似值φ0、ω0、κ0,按其各角的改正值dφ、dω、dκ進(jìn)行修正,則修正后的旋轉(zhuǎn)矩陣R為

式中,參數(shù)或變量的上標(biāo)0表示其對(duì)應(yīng)的近似值或初值;R0為轉(zhuǎn)角近似值對(duì)應(yīng)的初始旋轉(zhuǎn)矩陣;dR為微小轉(zhuǎn)角改正值dφ、dω、dκ對(duì)應(yīng)的修正旋轉(zhuǎn)矩陣。

在式(1)的基礎(chǔ)上,建立式(2)所示的車載激光掃描成像系統(tǒng)的外參數(shù)標(biāo)定模型,該模型表示待標(biāo)定參數(shù)的近似值與修正值之間應(yīng)滿足的關(guān)系

式中,下標(biāo)l、p、c分別表示激光直角坐標(biāo)系、由GPS/IMU確定的POS坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系;矢量[XcYcZc]T表示激光掃描點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo);分別表示POS坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的初始旋轉(zhuǎn)矩陣和修正旋轉(zhuǎn)矩陣;分別表示激光直角坐標(biāo)系相對(duì)于 POS坐標(biāo)系的初始旋轉(zhuǎn)矩陣和修正旋轉(zhuǎn)矩陣;矢量[XLSYLSZLS]T表示激光掃描點(diǎn)在激光直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo);矢量[XlpYlpZlp]T、[dXlpdYlpdZlp]T分別表示激光直角坐標(biāo)系相對(duì)于POS坐標(biāo)系的初始位置偏移量和位置偏移量改正值;矢量 [XpcYpcZpc]T、[dXpcdYpcdZpc]T分別表示 POS坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的初始位置偏移量和位置偏移量改正值。設(shè)POS坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的微小轉(zhuǎn)角修正值為dφ1、dω1、dκ1,設(shè)激光直角坐標(biāo)系相對(duì)于POS坐標(biāo)系的微小轉(zhuǎn)角修正值為dφ2、dω2、dκ2,則其對(duì)應(yīng)的修正旋轉(zhuǎn)矩陣 dRpc和 dRlp可分別表示為

3.3 標(biāo)定參數(shù)求解

將式(3)和式(4)代入式(2),可得12參數(shù)標(biāo)定模型中待求改正數(shù)與其他狀態(tài)變量、激光點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量值之間的關(guān)系為

式中,XWGS-84為激光測(cè)量點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量;B為系數(shù)矩陣;x為動(dòng)態(tài)標(biāo)定中的12個(gè)待求參數(shù)對(duì)應(yīng)的改正數(shù)向量;ΔXpc為POS坐標(biāo)系相對(duì)于大地坐標(biāo)系的位置偏移初值向量;Q為與其他狀態(tài)變量有關(guān)的向量。

式(5)中,其他幾個(gè)有關(guān)的參數(shù)可由式(6)～式(9)確定

根據(jù)式(5)可列出誤差方程式,其誤差方程式的矩陣形式為

式中,V=[VxVyVz]T為激光掃描測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)誤差改正數(shù)向量;B為系數(shù)矩陣;x為動(dòng)態(tài)標(biāo)定中的待求參數(shù)對(duì)應(yīng)的改正數(shù)向量,其意義與式(5)中的表示相同;L=[Xc-(Q1+Xpc) Yc-(Q2+ Ypc) Zc-(Q3+Zpc)]T為常數(shù)項(xiàng)向量。

利用最小二乘間接平差原理,在觀測(cè)值為等權(quán)的情況下,根據(jù)足夠數(shù)量的、分別由激光掃描成像系統(tǒng)測(cè)量的和由全站儀測(cè)量的對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)數(shù)據(jù),利用式(10)可得x的解為

實(shí)際計(jì)算中,一般經(jīng)過若干次迭代計(jì)算,即可獲得滿足一定精度要求的狀態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)的改正數(shù),并確定模型中需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的外方位參數(shù)。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)本文提出的標(biāo)定方法,在戶外標(biāo)定場(chǎng)中進(jìn)行車載激光掃描成像試驗(yàn),獲取激光掃描數(shù)據(jù)和GPS/IMU數(shù)據(jù)。標(biāo)定試驗(yàn)中選取7個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,選取的控制點(diǎn)主要為地物特征點(diǎn)(地物角點(diǎn))和特制的多面體靶標(biāo)。將激光掃描時(shí)間作為變量引入到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中,用于在激光直角坐標(biāo)系中進(jìn)行控制點(diǎn)的判讀;利用安置于高精度已知點(diǎn)上的全站儀測(cè)量所有控制點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(見表2)。用于安置全站儀的已知點(diǎn)采用GPS靜態(tài)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量,GPS和所用全站儀的坐標(biāo)測(cè)量精度均達(dá)毫米級(jí)?？刂泣c(diǎn)在原始激光點(diǎn)云圖中的定位則利用點(diǎn)云顯示軟件人工判讀確定,其定位精度與點(diǎn)云的分布密度有關(guān)。

將表2中的控制點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于上述12參數(shù)標(biāo)定模型求解,即可得出標(biāo)定結(jié)果(見表3)以及控制點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)定改正后的中誤差。同時(shí),利用控制點(diǎn)之間的距離真值和測(cè)量值進(jìn)行分析,以距離測(cè)量中誤差來(lái)評(píng)估相對(duì)測(cè)量精度,可求得激光掃描成像系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量精度。本文采用控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量中誤差來(lái)評(píng)估標(biāo)定的精度,精度分析結(jié)果列于表4。

表2 控制點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurements of control points

表3 12參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Tab.3 Results of 12-parameter calibration

表4 12參數(shù)標(biāo)定精度Tab.4 Precision of 12-parameter calibration m

表3中的旋轉(zhuǎn)參數(shù) yaw、pitch、roll分別表示兩坐標(biāo)系間相應(yīng)的轉(zhuǎn)角即航向角、俯仰角和橫滾角;平移參數(shù) X、Y、Z分別表示兩坐標(biāo)系間相應(yīng)的原點(diǎn)平移坐標(biāo)分量。

列于表4中的標(biāo)定精度結(jié)果是基于對(duì)控制點(diǎn)的測(cè)量進(jìn)行的。利用控制點(diǎn)在激光直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值和表3中的標(biāo)定參數(shù)等可得到經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)定處理后的控制點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值;相應(yīng)地用全站儀測(cè)量控制點(diǎn)的大地坐標(biāo);以全站儀測(cè)量的控制點(diǎn)相應(yīng)大地坐標(biāo)為真值,得到激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的 X、Y、Z坐標(biāo)中誤差分別為0.046 672 m、0.005 943 m和0.019 209 m;當(dāng)以全站儀測(cè)量的控制點(diǎn)之間的距離為距離真值,而以激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的控制點(diǎn)之間的距離為測(cè)量值,計(jì)算的相對(duì)距離差的中誤差(相對(duì)測(cè)量精度)為0.031 109 m。從這些數(shù)據(jù)可以看出,在控制點(diǎn)處激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的坐標(biāo)測(cè)量精度優(yōu)于0.05 m。檢查點(diǎn)處激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的測(cè)量精度結(jié)果見表7。

將式(5)中的6個(gè)參數(shù)dφ1、dω1、dκ1和dXpc、dYpc、dZpc略去可組成6參數(shù)標(biāo)定模型,6參數(shù)標(biāo)定模型只能對(duì)激光掃描直角坐標(biāo)系與POS坐標(biāo)系之間的相對(duì)空間方位參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,而沒有考慮POS坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系間的系統(tǒng)誤差。利用6參數(shù)模型進(jìn)行標(biāo)定,得到的控制點(diǎn)經(jīng)標(biāo)定處理后的點(diǎn)位中誤差列于表5之中。表5中的6參數(shù)標(biāo)定精度分析與表4類似。從表5可看出,經(jīng)6參數(shù)標(biāo)定模型結(jié)果計(jì)算的控制點(diǎn)處激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的 X、Y、Z坐標(biāo)中誤差分別為0.052 525 m、0.034 311 m和0.024 979 m,其精度稍低于經(jīng)12參數(shù)標(biāo)定模型結(jié)果的精度。

表5 6參數(shù)標(biāo)定精度Tab.5 Precision of 6-parameter calibration m

為驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果的可靠性,在車載激光掃描成像試驗(yàn)中同時(shí)使用了8個(gè)球形靶標(biāo)作為校驗(yàn)點(diǎn),通過車載激光掃描成像系統(tǒng)和全站儀測(cè)量分別獲取球形靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的球面點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),然后采用最小二乘擬合方法得到每個(gè)球形靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的球心坐標(biāo)和半徑,其結(jié)果如表6所示。將二者進(jìn)行對(duì)比分析,可得到基于球形靶標(biāo)的激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的中誤差;同時(shí),通過對(duì)擬合的靶標(biāo)球心之間的相對(duì)距離進(jìn)行分析,可求得基于球形靶標(biāo)的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量精度(見表7)。

表6 最小二乘擬合的球形靶標(biāo)球心坐標(biāo)和半徑Tab.6 Least squares fitting central coordinates and radius of spherical targets m

表7 基于球形靶標(biāo)的激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的精度Tab.7 Precision of laser imaging data based on spherical targets m

表7是基于球形標(biāo)志(檢查點(diǎn))進(jìn)行的精度分析結(jié)果。激光掃描成像系統(tǒng)和全站儀首先均測(cè)量足夠數(shù)據(jù)的球形標(biāo)志表面點(diǎn),再利用這些表面點(diǎn)擬合球心的坐標(biāo),以擬合出的球心坐標(biāo)作為球形標(biāo)志的位置坐標(biāo)。同樣以全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的球形標(biāo)志坐標(biāo)為真值,計(jì)算出檢查點(diǎn)處激光測(cè)量點(diǎn)經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的 X、Y、Z坐標(biāo)中誤差分別為 0.016 463 125 m、0.049 905 344 m 和0.029 773 01 m;球半徑 R的擬合中誤差為0.05 m;球心相對(duì)距離測(cè)量中誤差(相對(duì)精度)為 0.015 m。從這些數(shù)據(jù)可看出,檢查點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量精度優(yōu)于0.05 m。

圖2顯示的是戶外標(biāo)定場(chǎng)及球形靶標(biāo),圖3為經(jīng)過標(biāo)定結(jié)果改正處理后的車載激光掃描成像系統(tǒng)得到的三維激光點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)。從圖3可以看出,三維激光點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的表現(xiàn)目標(biāo)細(xì)部的能力。

圖2 戶外標(biāo)定場(chǎng)及球形靶標(biāo)Fig.2 Outdoor calibration site and spherical targets

圖3 車載激光掃描成像獲取的三維點(diǎn)云圖Fig.3 3D point cloud data acquired by vehicle laser imaging system

從上述表4、表5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,采用12參數(shù)標(biāo)定模型的求解精度比6參數(shù)標(biāo)定模型的求解精度為高,說(shuō)明12參數(shù)標(biāo)定模型可以更為有效地減少安裝誤差和時(shí)間誤差的影響。從表6、表7的結(jié)果來(lái)看,通過球形靶標(biāo)的校驗(yàn)可知,本文提出的車載激光成像系統(tǒng)標(biāo)定模型解算所得的結(jié)果精度是可靠的。

5 結(jié) 論

傳感器方位參數(shù)的標(biāo)定是多傳感器集成系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。本文對(duì)基于車載 GPS/ IMU激光成像系統(tǒng)的外方位元素的動(dòng)態(tài)標(biāo)定進(jìn)行研究和試驗(yàn),根據(jù)GPS、IMU及激光掃描儀的特點(diǎn),設(shè)計(jì)室外動(dòng)態(tài)檢測(cè)場(chǎng)和檢測(cè)標(biāo)志,提出并實(shí)現(xiàn)一種帶有微小轉(zhuǎn)角修正的車載激光成像系統(tǒng)外方位元素動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,該標(biāo)定方法能夠較好地進(jìn)行基于 GPS/IMU/LS的車載激光成像系統(tǒng)外方位元素的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,從控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看,該方法獲得較高的標(biāo)定精度。從6參數(shù)模型和12參數(shù)模型的標(biāo)定結(jié)果來(lái)看,12參數(shù)模型的標(biāo)定精度高于6參數(shù)模型的標(biāo)定精度,說(shuō)明POS坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間還存在一定的系統(tǒng)誤差,由于IMU傳感器動(dòng)態(tài)條件下測(cè)量精度較高的特性,這種系統(tǒng)誤差是需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定來(lái)改正的。利用動(dòng)態(tài)標(biāo)定的結(jié)果建立GPS、IMU和LS等傳感器之間的空間方位關(guān)系,可改正由于傳感器的儀器安裝誤差、時(shí)間同步誤差等而引入的系統(tǒng)誤差,從而使車載 GPS/ IMU激光成像系統(tǒng)能夠以直接地理參考定位方式高精度地獲取待測(cè)目標(biāo)的空間位置。建立實(shí)用的動(dòng)態(tài)標(biāo)定場(chǎng)、如何更好地判讀和測(cè)量控制點(diǎn)在激光點(diǎn)云圖上的位置等將是需要進(jìn)一步研究的方向。

[1] INABA K,MANANDHAR D,SHIBASAKI R.Calibraiton of a Vehicle-based Laser/CCD Sensor System for Urban 3D Mapping[EB/OL].[1999-11-22].http:∥www.gisdevelopment.net/aars/acrs/1999/ts4/ts4147.asp.

[2] NAGAI M,SHIBASAKI R,MANANDHAR D.Calibration Methodology for Laser Scanner External Parameters[EB/ OL].[2004-11-22].http:∥www.gisdevelopment.net/ aars/acrs/2004/gen_sensors/acrs2004_a4008pf.htm.

[3] MANANDHAR D,SHIBASAKI R.Vehicle-borne Laser Mapping System(VLMS)for 3D Urban GIS Database[C]∥Proceedings of the 7th International Conference on Computers in Urban Planning and Urban Management.Manoa: University of Hawaii,2001.

[4] MANANDHAR D,SHIBASAKI R.Prototype Development for Vehicle-based Laser Mapping System(VLMS)[C]∥Proceedings of the 19th ISPRS Congress.Amsterdam: ISPRS,2000:359-366.

[5] PLESS R,ZHANG Q L.Extrinsic Calibration of a Camera and Laser Range Finder[C]∥Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Sendai:[s.n.],2004:2301-2306.

[6] L I Maoxi,WAN G Congjun,CHEN Xing.Research on Acquired Object’s 3D Data Based on One CCD Camera[J]. Automation and Instrumentation,2005(5):13-16.(李茂西,王從軍,陳鑫.基于單目CCD攝影機(jī)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建研究[J].自動(dòng)化與儀表,2005(5):13-16.)

[7] ZHOU Keqin,ZHAO Xu,DING Yanhui.The 3D Visualization’s Approach Based on Laser Scanning[J].Journal of Zhengzhou Institute of Surveying and Mapping ,2006, 23(1):6-27.(周克勤,趙煦,丁延輝.基于激光點(diǎn)云的3維可視化方法[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2006,23(1):6-27.)

[8] CHEN Yuan,CHEN Zhen,WEI Shuigen.Segmentation Method for Point Cloud Data Based on CCD Image[J]. Journal of Nanchang Institute of Aeronautical Technology (Natural Sciences Edition),2007,21(1):40-42.(陳遠(yuǎn),陳震,危水根.基于CCD圖像的點(diǎn)云區(qū)域分割方法[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,21(1):40-42.)

[9] ZHAN Jinhui,CHEN Zhen,WEI Shuigen.Edge Extraction of Point Data Based on CCD Image[J].Shanxi Electronic Technology,2008(3):3-12.(湛金輝,陳震,危水根.基于CCD圖像的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)邊界提取法[J].山西電子技術(shù), 2008(3):3-12.)

[10] KANG Yongwei,ZHONG Ruofei,WU Yu.Research of Calibrating Vehicle Laser Scanner’s External Parameters [J].Infrared and Laser Engineering,2008(37):250-253. (康永偉,鐘若飛,吳俁.車載激光掃描儀外參數(shù)標(biāo)定方法研究[J].紅外與激光工程,2008(37):250-253.)

[11] YE Zetian,LIU Xianlin,ZHONG Ruofei,et al.Study of Vehicle Data Acquisition and Processing System Integrated with Multi-sensors[J].China Science and Technology Achievements,2008(12):46-48.(葉澤田,劉先林,鐘若飛,等.車載多傳感器集成快速數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)研究[J].中國(guó)科技成果,2008(12):46-48.)

[12] WAN G Zhizhuo.Principles of Photogrammetry[M]. Wuhan:Publishing House of Wuhan University,2007: 18-19.(王之卓.攝影測(cè)量原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2007:18-19.)

Dynamic Calibration of Exterior Orientations for Vehicle GPS/IMU/LS Laser Imaging System

YE Zetian1,YANG Yong2,ZHAO Wenji2,HOU Yanfang1
1.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100039,China;2.The Key Laboratory of 3D Information Acquisition and Application of Ministry of Education,Capital Normal University,Beijing 100048,China

A calibration method with small rotation-angle corrections for the exterior orientations of vehicle laser imaging system was proposed.In the vehicle laser imaging system,mobile surveying and mapping platform system (MSMP),integrated GPS with both IMU(inertial measurement unit)and LS(laser scanner),the method used six small rotation-angle parameters and six small translation parameters to correct the parameters of traditional models.The experiments show that the new method efficiently corrected the installation errors and temporal synchronizing errors in the system.

vehicle laser imaging system;exterior orientation;calibration;small rotation-angle

YE Zetian(1963—),male,PhD,professor, PhD supervisor,majors in photogrammetry and remote sensing.

1001-1595(2011)03-0345-07

P234

A

國(guó)家863計(jì)劃(2006AA12Z324);中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)

(責(zé)任編輯:宋啟凡)

2010-02-01

2010-06-25

葉澤田(1963—),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事攝影測(cè)量與遙感方面的研究工作。

E-mail:yezt@sina.com