沈 蔚，惠 笑，崔曉冬*，欒奎峰，朱衛(wèi)東，張 進

（1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.上海河口海洋測繪工程技術研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學 海洋科學與技術實驗教學示范中心，上海 201306）

激光雷達掃描系統(tǒng)可以高效、快速地獲取目標物的外部信息，目前已廣泛應用于測繪行業(yè)。依據掃描系統(tǒng)載體，該系統(tǒng)可分為機載、車載和船載3類[1-2]。由于激光雷達掃描系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，船載激光雷達掃描系統(tǒng)在海岸帶海島礁測繪、港口碼頭測量、近岸工程變形監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。汪連賀[3]使用了奧地利RIEGL公司的VZ1000激光掃描儀與中海達iStreet影像采集子系統(tǒng)進行了海島礁測量，并將獲取數(shù)據與RTK數(shù)據比對，進行了精度分析。李杰等[4]使用Optech ILRIS-LR激光掃描儀對海島海岸帶進行了動態(tài)的遠距離測量，并獲取了三維信息和回波強度信息，實現(xiàn)了船載掃描系統(tǒng)對海岸帶信息的高精度采集。本文闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的硬件和軟件設計，點云三維坐標的解算流程，并對解算點云進行RTK比對，驗證了船載移動三維激光掃描系統(tǒng)的較高精度。

1 系統(tǒng)設計

1.1 工作原理與硬件組成

對于船載激光掃描系統(tǒng)而言，通過GPS和IMU獲得航跡上激光發(fā)射中心的空間坐標和設備的空間姿態(tài)，內插后可以獲得任何時刻激光光束的姿態(tài)和發(fā)射中心的空間坐標，結合激光掃描儀獲取的發(fā)射中心到地面物體的距離和掃描角度，可以求得每一個激光腳印點的空間三維坐標，實現(xiàn)對目標物的三維建模。

圖1 船載三維激光掃描系統(tǒng)組成

船載移激光雷達掃描系統(tǒng)由脈沖激光源、測距探測接收器、系統(tǒng)控制處理器和光機掃描器組成，外聯(lián)IMU、GPS定位系統(tǒng)（如圖1所示）。

（1）本系統(tǒng)的激光掃描儀采用中科院技術物理研究所研制的船載激光雷達主機系統(tǒng)，回波信息包含距離信息、回波次數(shù)、回波脈寬、POS授時數(shù)據等。激光掃描儀主要參數(shù)如表1所示，掃描距離最遠可達2 000 m，精度可達4 cm @1 000 m，且可提供100°開角的掃描視場，能夠滿足海上復雜作業(yè)情況的需要。

（2）IMU傳感器采用Octans Ⅲ光纖羅經，能夠提供0.01°精度的橫擺角、縱搖角改正參數(shù)和0.1°精度的航向信息，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 激光掃描系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 Octans Ⅲ光纖羅經主要參數(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)安裝

（1）船載測量系統(tǒng)各傳感器安置在穩(wěn)定的船載平臺。激光掃描儀開角水平向上最大為52°，向下為48°（如圖2所示）。為避免掃描視場受到干擾，安裝時需對儀器進行架高。

圖2 激光出射角度示意圖

（2）使用全站儀測量GPS天線中心和激光掃描儀中心相對于IMU中心的偏移量，量取IMU直角坐標系與激光掃描儀直角坐標系三軸的旋轉角度。為保證坐標解算的準確性，需對安置角進行檢校[5]。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由激光掃描儀配套的數(shù)據采集軟件和自主開發(fā)的點云解算軟件組成。采集軟件可獲取距離信息、回波次數(shù)、回波脈寬、授時數(shù)據和掃描角度等。點云解算軟件由IMU處理模塊、GPS處理模塊和點云解算模塊組成。

1.4 工作流程

激光掃描系統(tǒng)各傳感器安裝在穩(wěn)定的船載平臺[6]，完成測線布設、GPS基準站架設和偏移參數(shù)測量后，進行船載測量。GPS基準站的開機時間應早于POS設備的開機時間、晚于POS設備關機時間。獲取IMU與GPS數(shù)據內插后，結合激光雷達掃描數(shù)據，可進行三維坐標的解算工作。完整的船載測量系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 船載測量系統(tǒng)工作流程

2 點云解算

從激光雷達的原始測距信息到三維點云數(shù)據，主要分為兩個階段：第一階段為時間匹配，第二階段為坐標計算[7]。

2.1 時間匹配

由于船載激光雷達的采集頻率遠高于GPS和IMU傳感器，需要對POS數(shù)據進行內插后得到任意時刻激光波束的姿態(tài)信息和空間位置信息。結合回波的距離信息和掃描角度，可準確求得激光腳點的三維坐標。嚴格的時間匹配是坐標解算的前提[8-9]。

2.2 坐標解算

坐標解算涉及多個坐標系統(tǒng)，激光雷達坐標系、IMU坐標系、當?shù)刈鴺讼岛蚖GS84坐標系[10]。解算前需量取GPS和激光掃描儀相對于IMU的坐標中心偏移量，以及激光掃描儀與姿態(tài)傳感器之間的坐標旋轉角。坐標解算表達式為：

式中：X84,Y84,Z84為POS系統(tǒng)的GPS天線中心的WGS-84坐標，RL為激光的旋轉矩陣。設激光波掃描儀到目標物的距離為D，激光掃描儀瞬時坐標系到激光掃描儀直角坐標系束在瞬時坐標系下的出射角為θ，則RL的表達式為：

在IMU直角坐標系中，船舶航行方向為X軸，Y軸為激光掃描方向，Z軸與XOY構成右手系，垂直于XOY面向上。ΔXGI,ΔYGI,ΔZGI為GPS天線中心到IMU傳感器中心的偏移量；ΔXLI,ΔYLI,ΔZLI為激光掃描儀中心到IMU中心的三個軸的偏移量。RLI為激光掃描儀直角坐標系到IMU直角坐標系的旋轉矩陣，為確保點云數(shù)據的精準度，需進行檢校，獲取精確的安置角，RLI為：

RIN為IMU直角坐標系到當?shù)刈鴺讼档男D矩陣，由IMU提供的roll,pitch,heading三個參數(shù)構成，形式與RLI一致，roll,pitch,heading分別對應式中的α,β,γ。

R為當?shù)刈鴺讼档絎GS-84坐標系的旋轉矩陣，公式為：

式中：B,L,H分別是緯度、經度和海拔高。

3 精度分析

為檢驗船載激光掃描系統(tǒng)精度，本文開展了某河道船載移動激光掃描實驗，經過完整的采集和處理流程后得到的三維點云如圖4所示。對船載激光掃描儀獲取的特征點坐標與RTK實測值進行比對（如圖5所示），其平面誤差，X方向上最大誤差為0.07 m，中誤差為0.020 5；Y方向最大誤差為0.06 m，中誤差為0.023 2。高程誤差，Z方向上最大誤差為0.09 m，中誤差為0.024 3。高程誤差略高于平面誤差。

圖4 點云數(shù)據解算結果

圖5 精度評定檢驗結果

4 結論

本文首先闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的硬件和軟件設計，系統(tǒng)的工作流程；并對解算的點云坐標與RTK實測值進行比對，其平面和高程最大誤差不超過9cm，驗證了船載移動三維激光掃描系統(tǒng)的較高精度。通過實驗研究證明，本文設計的船載激光掃描系統(tǒng)，軟硬件性能可靠，數(shù)據精度滿足行業(yè)標準要求，可廣泛應用于海岸帶、海島礁、港口碼頭、航道、橋梁測繪等領域。