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        移動激光掃描測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成與實(shí)現(xiàn)

        2019-06-06 08:31:00俞德崎李廣云谷友藝
        導(dǎo)航定位學(xué)報(bào) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:測量系統(tǒng)

        俞德崎,李廣云,王 力,谷友藝

        (1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,鄭州 450000;2. 信息工程大學(xué) 數(shù)據(jù)與目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450000)

        0 引言

        地理信息技術(shù)、通信技術(shù)、感知技術(shù)和超算技術(shù)是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù),也是大數(shù)據(jù)采集與處理的重要技術(shù)。其中,地理信息技術(shù)是采集數(shù)據(jù)和信息的關(guān)鍵,如何更高效、高速、高精度地采集用于智慧城市建設(shè)所需的城市空間地理信息數(shù)據(jù)是當(dāng)前需要研究解決的熱點(diǎn)問題[1-2]?;诙鄠鞲衅骷傻囊苿蛹す鈷呙铚y量系統(tǒng)(mobile laser scanning mapping system, MLS)是當(dāng)前城市空間地理信息采集的一項(xiàng)主要技術(shù),是一種新興的、綜合的、高動態(tài)的測量手段[3-4]。一般典型的MLS集成了定位定姿系統(tǒng)(positioning and orientation system, POS)、激光掃描系統(tǒng)、影像采集系統(tǒng),以現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識別技術(shù)和平差理論為支撐。POS由全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS) 和 慣 導(dǎo) 系 統(tǒng)(inertial navigation system, INS)組合而成可提供載體位姿數(shù)據(jù),MLS利用激光掃描系統(tǒng)和影像采集系統(tǒng)采集空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),在確定了激光掃描系統(tǒng)和影像采集系統(tǒng) INS中心的相對位置之后,通過POS提供的載體位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下,再利用點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系,將二者數(shù)據(jù)融合最終形成彩色點(diǎn)云,從而直觀反映出城市空間物體的表面色彩、結(jié)構(gòu)和尺寸等信息。

        隨著國內(nèi)外專家學(xué)者多年來的應(yīng)用實(shí)踐,MLS的相關(guān)技術(shù)日趨成熟,且按照載體的不同已經(jīng)發(fā)展出了車載MLS、船載MLS、機(jī)載MLS、無人機(jī)載MLS和背負(fù)式MLS。由于MLS與傳統(tǒng)的測繪地理信息獲取手段相比,具有高精度、高效率、自動化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn);因此MLS已經(jīng)在地理數(shù)據(jù)采集和制圖、街景數(shù)據(jù)采集、城市樹木普查、市政管理和道路測量等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。目前在 MLS的成熟系統(tǒng)中,國外主要有 MX8系統(tǒng)[8]、DYNASCAN系統(tǒng)、VMX-250系統(tǒng)[9]、全新的多平臺移動測繪系統(tǒng) Robin;國內(nèi)典型的 MLS有LD2000系統(tǒng)[10]、3Dsurs系統(tǒng)[11]、SSW 系統(tǒng)[12]、iScan系統(tǒng)[13]等。本文在借鑒國內(nèi)外MLS設(shè)計(jì)與集成經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇合適的傳感器,對系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),提出相應(yīng)的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一方案,集成一套能夠滿足城市空間地理信息數(shù)據(jù)采集需求的移動激光掃描測量系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

        MLS是一個(gè)復(fù)雜的軟硬件一體系統(tǒng),不僅包括原始數(shù)據(jù)采集所需的硬件,還包括對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的軟件系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)MLS的測量功能,并使MLS達(dá)到工程測量所要求的精度,必須確保MLS的各模塊的軟硬件之間能夠協(xié)調(diào)一致地工作。MLS一般包括以下模塊:主控模塊、傳感器模塊、通訊模塊和電源模塊。具體組成如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)組成

        由圖1可知,電源模塊主要由電池和電源保護(hù)裝置為傳感器模塊和主控模塊供電;主控模塊主要包括工控機(jī)、存儲器和后處理軟件等;傳感器模塊主要是POS和激光雷達(dá);主控模塊與傳感器模塊間的通信和數(shù)據(jù)傳輸依靠通訊模塊進(jìn)行;通訊模塊包括網(wǎng)線、USB線和相關(guān)接口。

        本文主要使用1臺POS、1臺激光雷達(dá)、1臺從站GNSS、1臺控制計(jì)算機(jī)和電源組成一套可用于多種載體平臺的 MLS。POS系統(tǒng)使用的是NovAtel公司的 SPAN-CPT,其具有很好的性價(jià)比,一套完整的 SPAN-CPT包括主機(jī)、GNSS天線和連接線,主機(jī)集成了GNSS+INS的緊耦合組合導(dǎo)航定位系統(tǒng);激光雷達(dá)使用了Velodyne公司的16線激光雷達(dá),每秒可輸出高達(dá)30萬個(gè)目標(biāo)點(diǎn),支持外接 GNSS,并且具有 360°的水平掃描范圍;從站GNSS是國產(chǎn)北斗星通GNSS,主要包括 C201型接收機(jī)和 GPS500天線。對整個(gè)系統(tǒng)的線路連接如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)線路連接

        1)CPT主機(jī)與主站天線通過TNC互連,將主站天線接收的衛(wèi)星信號輸入CPT。

        2)CPT主機(jī)的COM1接口用于連接激光雷達(dá),發(fā)送信號地、秒脈沖和時(shí)間同步信息實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步操作。

        3)COM2接口,用于連接從站接收機(jī),構(gòu)成雙天線系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)輔助IMU的初始對準(zhǔn)。

        4)從站接收機(jī)與從站天線通過TNC互連,將從站天線接收的衛(wèi)星信號輸入接收機(jī)。

        5)USB通訊接口用于CPT主機(jī)連接計(jì)算機(jī),實(shí)時(shí)顯示CPT工作狀態(tài)和設(shè)置工作參數(shù),保存位姿數(shù)據(jù)。

        6)網(wǎng)口通訊接口用于激光雷達(dá)連接計(jì)算機(jī),實(shí)時(shí)控制激光雷達(dá),設(shè)置掃描參數(shù)和保存數(shù)據(jù)。

        7)穩(wěn)壓電源為CPT、激光雷達(dá)和從站GNSS供電,推薦用12 V,避免電壓過高燒壞設(shè)備,過低則設(shè)備不能正常運(yùn)行。

        系統(tǒng)的集成如圖3所示:激光雷達(dá)豎直固定于MLS前部,使發(fā)射的掃描線與水平面垂直,確保能完整地采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù);主站天線固定安裝于MLS頂部;從站天線安裝于載體上,與主站天線距離至少為1.5 m;POS系統(tǒng)和電源安裝固定于MLS內(nèi)部;數(shù)據(jù)傳輸接線口位于MLS的后部;整體系統(tǒng)由開光控制開啟與關(guān)閉。

        圖3 MLS系統(tǒng)集成

        2 時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一方案

        移動激光掃描系統(tǒng)的核心問題是多傳感器間的數(shù)據(jù)融合。在數(shù)據(jù)融合過程中,由于不同設(shè)備采集數(shù)據(jù)定義的時(shí)間系統(tǒng)不同,POS使用的時(shí)間系統(tǒng)與激光雷達(dá)使用自身儀器時(shí)間系統(tǒng)不同,導(dǎo)致同一時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)在不同的設(shè)備中記錄的時(shí)間戳不同,無法對同一時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行融合處理,因此必須對系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步處理;同時(shí),POS和激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果坐標(biāo)定義不同,無法直接使用,需要求解激光雷達(dá)坐標(biāo)系中心相對于INS中心的安置參數(shù),即偏心矢量和安置角,將二者坐標(biāo)系統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系下。

        1)時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一。本文所用Velodyne激光雷達(dá)支持外接全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS),當(dāng)外接 GPS且時(shí)間同步信號鎖定時(shí),激光雷達(dá)采集的原始數(shù)據(jù)尾部將以每小時(shí)微秒的形式加上 GPS提供的當(dāng)前 UTC時(shí)間戳,使激光雷達(dá)與POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時(shí)間系統(tǒng);當(dāng)時(shí)間同步信號失鎖時(shí),激光雷達(dá)繼續(xù)使用自身的儀器時(shí)間系統(tǒng)。因此,本文使用基于秒脈沖觸發(fā)法實(shí)現(xiàn)MLS的激光雷達(dá)與POS的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一。Velodyne預(yù)留的 GPS外接接口是一個(gè) 8針腳的GPS接口,接口定義如圖4所示。

        為了實(shí)現(xiàn)POS與激光雷達(dá)的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一,需要將POS輸出的秒脈沖(pulse per second, PPS)信號、推薦定位信息($GPRMC)和信號地與GPS接口相應(yīng)的針腳相連。如表1所示。同時(shí),由于激光雷達(dá)只能識別接收頻率為 1 Hz、波特率 9 600的$GPRMC時(shí)間同步信息,因此使用時(shí)需要事先利用串口調(diào)試助手將POS的COM1口輸出的時(shí)間同步信息設(shè)置成相應(yīng)的格式、頻率和波特率。在時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)一之后,由于POS設(shè)置的數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz,激光雷達(dá)工作頻率為5~20 Hz,且激光雷達(dá)掃描點(diǎn)的時(shí)間戳精度為毫秒級,導(dǎo)致在數(shù)據(jù)融合時(shí),無法確定激光頭掃描對應(yīng)時(shí)刻載體準(zhǔn)確的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù),需要對POS的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,估算對應(yīng)的位姿數(shù)據(jù)。

        圖4 GPS接口定義

        表1 針腳對應(yīng)連接

        2)空間基準(zhǔn)統(tǒng)一??臻g基準(zhǔn)統(tǒng)一主要是安置參數(shù)的標(biāo)定。安置參數(shù)指激光掃描儀相對于慣導(dǎo)坐標(biāo)系的偏心矢量(lever arm)和安置角(borsight angel),其參數(shù)的標(biāo)定稱為 MLS的外標(biāo)定(external calibration)。POS的尺寸可以得到,由設(shè)備廠家提供,MLS平臺在設(shè)計(jì)加工時(shí)已經(jīng)讓加工廠對設(shè)備尺寸進(jìn)行了準(zhǔn)確的測量。因此MLS尺寸和POS尺寸已知,可以得到MLS角點(diǎn)在INS坐標(biāo)系下的坐標(biāo);引入球靶標(biāo),激光雷達(dá)掃描得到球靶標(biāo)中心在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的坐標(biāo);利用全站儀測量MLS角點(diǎn)和球靶標(biāo)中心在全站儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo),利用7參數(shù)模型分別建立全站儀坐標(biāo)系與INS坐標(biāo)系、激光雷達(dá)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而可以得到激光雷達(dá)坐標(biāo)系到INS坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,安置參數(shù)標(biāo)定流程如圖5所示。

        圖5 安置參數(shù)標(biāo)定原理

        本文使用的7參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為

        表2 安置參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

        3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

        在完成MLS設(shè)計(jì)集成與平臺加工之后,以電動三輪車為載體,在中心校區(qū)的環(huán)道進(jìn)行了移動測量路測實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證MLS平臺是否能夠?qū)崿F(xiàn)移動測量數(shù)據(jù)采集的功能。

        中心校區(qū)環(huán)道路面平坦,衛(wèi)星信號良好,只有少數(shù)路段出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖情況,因此適合路測實(shí)驗(yàn)的展開。路測實(shí)驗(yàn)(如圖6所示)主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2個(gè)過程:

        第一,數(shù)據(jù)采集過程。首先在空曠的平地建立GNSS基準(zhǔn),將基站數(shù)據(jù)采集模式設(shè)置為靜態(tài)采集,采樣間隔 1 s,量取天線高,開始靜態(tài)數(shù)據(jù)采集;然后打開MLS,使POS和激光雷達(dá)通電,對POS進(jìn)行初始化設(shè)置,載體繞著環(huán)道勻速行駛開始采集POS數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù);最后,數(shù)據(jù)采集結(jié)束,保存POS和激光雷達(dá)數(shù)據(jù),關(guān)閉MLS,再關(guān)閉基站 GNSS。

        第二,數(shù)據(jù)處理過程。將基站 GNSS數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Inertial Explorer軟件進(jìn)行組合導(dǎo)航解算,推算導(dǎo)航軌跡,在GNSS解算斷點(diǎn)處,軟件會自動進(jìn)行平滑處理,軌跡如圖6(a)所示;再將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與組合導(dǎo)航解算結(jié)果進(jìn)行融合處理形成點(diǎn)云數(shù)據(jù),將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入PtCloudsPro軟件顯示處理。

        圖6 MLS路測實(shí)驗(yàn)

        圖6(c)所示為MLS,載體帶著MLS沿著環(huán)道校園環(huán)道行駛,其以大約15 km/h的速度在實(shí)驗(yàn)區(qū)域圖6(b)勻速行駛。由圖6(a)軌跡可知:在校園環(huán)道上全程GNSS信號較好,只有少數(shù)幾個(gè)位置出現(xiàn)GNSS失鎖導(dǎo)致的斷點(diǎn),通過平滑算法對斷點(diǎn)處軌跡進(jìn)行了修正;點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集發(fā)生在軌跡上方的灰色框內(nèi)的部分,該部分路段具有極好的GNSS信號,定位定姿精度較高;該路段道路開闊,兩側(cè)樹木和建筑物較多;該路段采集點(diǎn)云全局高程圖如圖7所示。

        圖7 點(diǎn)云全局圖

        圖中間的白色直道部分即為實(shí)驗(yàn)測量區(qū)域的道路部分,未采集到相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù);原因在于本文所用載體的高度有限,MLS放置于載體時(shí),激光雷達(dá)高度距離地面大約為80 cm左右,小于激光雷達(dá)的最小測距范圍,無法采集到路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從全局點(diǎn)云中截取獨(dú)棟建筑的局部點(diǎn)云數(shù)據(jù),并利用人工交互對建筑點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理,得到幾何輪廓較清晰的建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖8所示。

        通過局部點(diǎn)云圖 8可以看出:路測實(shí)驗(yàn)所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中比較清楚地反映了道路兩側(cè)的信息,建筑物表面輪廓分明,整體數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期的效果;但同時(shí)在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)也發(fā)現(xiàn),部分小區(qū)域出現(xiàn)較散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù),可能是由于載體在某些路段抖動過大所致;同時(shí)某些地方出現(xiàn)無點(diǎn)云數(shù)據(jù)的現(xiàn)象,這些空缺可能是物體反射率過低所致。

        圖8 點(diǎn)云局部

        4 結(jié)束語

        本文針對城市空間地理信息采集的需求,設(shè)計(jì)集成了一套移動激光掃描測量系統(tǒng)?;诒疚脑O(shè)備自身的特點(diǎn),提出的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一的方案能夠較好解決在移動激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合過程中時(shí)間系統(tǒng)不一致和坐標(biāo)系統(tǒng)不一致的關(guān)鍵技術(shù)問題;對移動激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行的路測實(shí)驗(yàn)中,采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較好地反映了道路兩側(cè)的環(huán)境信息,得到了較好的結(jié)果??傮w來說,本文集成的測量系統(tǒng)可以滿足城市空間地理信息數(shù)據(jù)采集需求。

        同時(shí),該系統(tǒng)也存在一些需要改進(jìn)之處,如設(shè)計(jì)集成方面需要降低重量以方便攜帶,以及后期考慮加入影像采集系統(tǒng),融合出彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。另外,點(diǎn)云的質(zhì)量控制也是移動測量需要解決的關(guān)鍵問題,后期將結(jié)合本文的MLS對相關(guān)問題做進(jìn)一步的研究。

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