郭 明， 齊慧慧， 郭可才， 周玉泉， 李登科

（1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.代表性建筑與古建筑數(shù)據(jù)庫教育部工程研究中心，北京 100044；3.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044；4.建筑遺產(chǎn)精細(xì)重構(gòu)與健康監(jiān)測北京市重點實驗室 北京建筑大學(xué)，北京 100044；5.北京申信達(dá)成科技有限公司，北京 102444）

1 引言

以激光點云為代表的三維地理信息數(shù)據(jù)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基石，行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θS地理信息的需求量也日益劇增［1-2］。泛在測繪技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)是數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的核心，激光雷達(dá)測量技術(shù)是泛在測繪技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段［3-5］，但激光掃描獲取海量點云數(shù)據(jù)處理困難，難以為數(shù)字孿生［6］、物質(zhì)文化遺產(chǎn)監(jiān)測［7-8］、特大異形建筑施工運維分析［9］等需要遠(yuǎn)程自動采集、存儲和傳輸數(shù)據(jù)的實時應(yīng)用領(lǐng)域提供數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。第五代移動通信技術(shù)（5G）時代的到來，以毫米波通信為代表的技術(shù)引起廣泛關(guān)注，5G具有高速率、低時延、大容量等特征，采用5G通信技術(shù)更能保證數(shù)據(jù)的可靠性和及時性［10-11］。同時，我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已全面開通服務(wù)，可為全球用戶提供高精度定位、導(dǎo)航和授時等服務(wù)［12-15］。為實現(xiàn)海量激光點云異地實時傳輸，結(jié)合北斗/GNSS定位和5G技術(shù)研制一款地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。

對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G通訊技術(shù)的研究，目前大部分專家學(xué)者都將其應(yīng)用于城市交通、無人駕駛等方面，對于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G通訊技術(shù)在地基激光雷達(dá)方面的應(yīng)用還比較稀缺。市場上現(xiàn)有地基激光雷達(dá)，如FARO公司的FARO Focus S350激光雷達(dá)，集GPS、指南針、高度傳感器及雙軸補償器掃為一體，掃描距離達(dá)到350 m，掃描速度高達(dá)每秒976 000點。RIEGL公司推出的VZ-400i地面激光雷達(dá)，內(nèi)置慣導(dǎo)，提供了3G/4G通訊接口、Wi-Fi和以太網(wǎng)交互硬件，可通過WiFi和4G將激光點云數(shù)據(jù)實時導(dǎo)入云端，配備處理平臺可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)在線拼接。該公司推出的VZ系列可進(jìn)行超長測距的VZ-6000三維激光掃描儀，提供超過6 000 m的超長距離測量能力，甚至可以在沙塵、霧天、雨天、雪天等能見度較低的情況下使用并進(jìn)行多重目標(biāo)回波的識別，適用于雪地和冰川測量。天寶公司研制的TrimbleTX8三維激光掃描儀測距范圍約為120 m，憑借LightningTM技術(shù)，數(shù)據(jù)獲取速度高達(dá)每秒一百萬個精確激光點，可以獲得具有良好完整性的數(shù)據(jù)結(jié)果，內(nèi)置集成HDR相機可實現(xiàn)快速圖像獲取用于生成彩色掃描，大大提高外業(yè)生產(chǎn)率。國內(nèi)如數(shù)字綠土公司推出的Li-Pod大空間激光雷達(dá)集激光掃描、影像采集、GNSS［16］坐標(biāo)獲取為一體，無需標(biāo)靶特征，短時間內(nèi)即可快速采集數(shù)據(jù)，測距精度為±3 cm，并通過WIFI熱點的方式進(jìn)行設(shè)備連接。北科天繪的U-Arm系列地面三維激光激光雷達(dá)，內(nèi)置GNSS板卡，數(shù)據(jù)采集頻率最高可達(dá)600 KHz。以上市場上主流公司研制推出的激光雷達(dá)雖大都內(nèi)置GNSS板卡，但沒有一款結(jié)合5G通訊技術(shù)，更不具備海量激光點云實時處理系統(tǒng)，無法進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的實時傳輸處理［17-22］。為了填補這一市場空白，解決海量激光點云實時處理困難問題，本文融合北斗/GNSS定位和5G技術(shù)研制了一款地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。該激光雷達(dá)測量采用獨特的非重復(fù)掃描方式，能獲得更高的點云密度和探測距離，可探測遠(yuǎn)至260 m外的物體，數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)100 KHz，內(nèi)置北斗/GNSS接收模塊和5G模組，可通過5G實時云傳輸，并利用北斗/GNSS接收模塊獲取時間進(jìn)行時間同步，獲取坐標(biāo)信息并結(jié)合線性插值算法、羅德里格矩陣及ICP算法進(jìn)行點云實時配準(zhǔn)獲取完整點云，并采用分層調(diào)度策略進(jìn)行可視化。

本文分析了海量激光點云實時處理需求，提出結(jié)合5G通訊技術(shù)和北斗/GNSS定位模塊研制一款地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。利用激光雷達(dá)模塊獲取激光點云，高精度電機獲取角度信息，北斗/GNSS獲取時間并進(jìn)行時間同步，通過5G技術(shù)實現(xiàn)海量激光點云異地實時傳輸，終端通過線性插值算法進(jìn)行多幀點云配準(zhǔn)，根據(jù)北斗/GNSS提供坐標(biāo)中心進(jìn)行多站激光點云粗配準(zhǔn)，室內(nèi)無GNSS環(huán)境則根據(jù)室內(nèi)特征進(jìn)行多站點云數(shù)據(jù)粗配準(zhǔn)，并采用ICP算法進(jìn)行精配準(zhǔn)以完成整體配準(zhǔn)，通過LOD調(diào)度策略實現(xiàn)海量激光點云高效可視化。實驗表明，該測量系統(tǒng)可通過5G通訊技術(shù)異地實時發(fā)送海量激光點云數(shù)據(jù)，并配備數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，填補了利用北斗/GNSS和5G技術(shù)研制激光雷達(dá)這一領(lǐng)域的空白，具備相當(dāng)市場價值。

2 地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)集成

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文采用多線式三維激光掃描儀作為激光雷達(dá)傳感器，使用國產(chǎn)高精度電機作為激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)平臺，配置指北針和雙水準(zhǔn)氣泡并結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及5G通訊模組研制地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。指北針和雙水準(zhǔn)氣泡保證掃描初始指北，激光雷達(dá)掃描獲取被測場景點云信息，由于激光雷達(dá)采集到的所有的幀數(shù)據(jù)都是同一個角度，為得到完整的點云數(shù)據(jù)配備外部高精度電機，以獲取角度信息。通過北斗/GNSS接收模塊獲取時間信息，嵌入式微控制器將時間信息解碼成時間戳，并利用自主研發(fā)的時間同步模塊將時間信息同步給激光雷達(dá)和高精度電機。通過5G模組，將實時掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程終端，終端接收數(shù)據(jù)后通過自主研發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)處理程序進(jìn)行處理得到完整點云數(shù)據(jù)。對處理后的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分割及格式轉(zhuǎn)換，得到具有多細(xì)節(jié)層次的3DTiles瓦片結(jié)構(gòu)，并結(jié)合LOD調(diào)度策略實現(xiàn)激光點云數(shù)據(jù)高效可視化。地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)整體設(shè)計Fig.1 Overall design of ground-based LiDAR measurement system

2.2 系統(tǒng)硬件集成

如圖2所示，測量系統(tǒng)整體以三腳架為支撐，并配置指北針和雙水準(zhǔn)氣泡，保證每站掃描初始方向一致，矯正電機零位，電機零位和激光雷達(dá)初始位置一致，掃描階段激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心和電機旋轉(zhuǎn)軸一致，保證了旋轉(zhuǎn)過程中相對位置一致。系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103CBT6，通過自主編寫程序激光雷達(dá)啟動，同時通過嵌入式微控制器操控高精度電機進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作，北斗/GNSS接收機接收GPRMC時間信號和PPS秒脈沖數(shù)據(jù)，通過RS232總線將時間信號傳輸給嵌入式微控制器，同時將PPS信號傳輸并轉(zhuǎn)換成嵌入式微控制器能夠識別和采集的TTL串口信號。嵌入式微控制器將時間信號解碼轉(zhuǎn)化成UNIX時間戳，最終通過并通過485接口傳輸給高精度電機、激光雷達(dá)。計算機獲取帶有時間標(biāo)簽文件，利用5G通訊技術(shù)將采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送到到遠(yuǎn)程終端，終端通過自主研發(fā)的配準(zhǔn)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后并進(jìn)行可視化展示。

圖2 系統(tǒng)硬件集成Fig.2 System hardware integration

3 激光雷達(dá)測量系統(tǒng)時空配準(zhǔn)

3.1 多模塊時間同步

為了獲取完整點云，以時間標(biāo)為索引，通過對標(biāo)時間標(biāo)簽，使點云幀數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度，進(jìn)而實現(xiàn)點云的配準(zhǔn)。激光雷達(dá)掃描得到的點云可記錄海量的空間三維點坐標(biāo)，但點云并不帶有時間標(biāo)簽，需要接入外部時間，而且本測量系統(tǒng)采用的激光雷達(dá)需要輸入GNRMC/GPRMC格式的時間數(shù)據(jù)，并通過pps秒脈沖信號的方式進(jìn)行時間同步；高精度電機也同樣不配備時間設(shè)備，同樣需要外部時間信息，因此可以通過接入北斗模塊的方式進(jìn)行時間同步，北斗/GNSS接收機將產(chǎn)生的PPS信號輸入到激光雷達(dá)的PPS信號輸入接口，時間字符串通過RS232串口發(fā)送到激光雷達(dá)的時間數(shù)據(jù)接口，頻率與PPS信號相同。激光雷達(dá)接收到一對PPS和時間字符串之后，內(nèi)部高精度定時器與PPS對準(zhǔn)，將對準(zhǔn)的某一PPS對應(yīng)的時間字符串作為激光雷達(dá)的時間基準(zhǔn)，實現(xiàn)激光雷達(dá)時間同步，同時嵌入式微控制器將時間信號解碼轉(zhuǎn)化成時間戳通過485接口傳輸高精度電機，實現(xiàn)電機時間同步。

室內(nèi)工作室通常是處于無GNSS的環(huán)境，如何在無GNSS下對點云進(jìn)行配準(zhǔn)，以獲取全部點云也是需要解決的問題。為解決該問題，利用嵌入式開發(fā)，給嵌入式微控制器編寫了一個可以產(chǎn)生虛擬GNRMC/GPRMC時間和PPS秒脈沖信號的功能。嵌入式微控制器產(chǎn)生PPS秒脈沖通過RS232轉(zhuǎn)485的方式將PPS信號輸入激光雷達(dá)，產(chǎn)生的虛擬GNRMC/GPRMC時間通過SDK協(xié)議傳輸給激光雷達(dá)，使激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)帶有時間標(biāo)簽；嵌入式微控制器還接收高精度電機返回的角度數(shù)據(jù)同時打標(biāo)虛擬GNRMC/GPRMC時間并傳輸給計算機，使得計算機得到帶有時間標(biāo)簽的角度數(shù)據(jù)。

3.2 點云數(shù)據(jù)整體配準(zhǔn)

3.2.1 多幀點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

激光雷達(dá)掃描獲取得到單幀點云文件，由于激光雷達(dá)不配備旋轉(zhuǎn)電機，因此采集到的所有的幀數(shù)據(jù)都會是同一個角度，若想得到完整的點云數(shù)據(jù)則需要對采集到的點云數(shù)據(jù)匹配角度信息。本文采用時空同步方法進(jìn)行多幀點云配準(zhǔn)，安裝階段電機零位和激光雷達(dá)初始位置保持一致，實驗前矯正電機零位，使電機零位固定，掃描階段，激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心和電機旋轉(zhuǎn)軸一致，保證了旋轉(zhuǎn)過程中相對位置一致。并采用時間同步思路，根據(jù)時間信息將外部電機獲取角度信息匹配給點云數(shù)據(jù)。主要方法是遍歷文件尋找兩個文件對應(yīng)時間，通過對標(biāo)時間標(biāo)簽使相同時間的每幀點云數(shù)據(jù)匹配相應(yīng)角度數(shù)據(jù)，并采用線性插值算法使得無法對標(biāo)時間的點云數(shù)據(jù)獲取對應(yīng)角度得到完整點云文件。

多幀點云配準(zhǔn)對標(biāo)時間獲取空間變換參數(shù)進(jìn)而完成配準(zhǔn)，初始點X（x，y，z，1）與配準(zhǔn)點X′（x′，y′，z′，1）關(guān)系如式（1）所示：

式中：A為角度，T為時間。最終配準(zhǔn)效果如圖3所示。

圖3 多幀點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)Fig.3 Multi-frame point cloud data alignment

3.2.2 多站點云數(shù)據(jù)整體配準(zhǔn)

由于被測場景復(fù)雜、儀器設(shè)備影響等原因，通常需要多個視角掃描，才能獲取完整掃描場景點云，但多次掃描的點云可能不在同一坐標(biāo)系下，存在著空間旋轉(zhuǎn)錯位關(guān)系。因此需對不同位置、不同視角掃描得到的點云通過坐標(biāo)變換進(jìn)行配準(zhǔn)，將這些點云合并到同一個坐標(biāo)系下，形成完整點云數(shù)據(jù)。室外處于GNSS環(huán)境下可根據(jù)北斗/GNSS測站信息作為坐標(biāo)中心點進(jìn)行粗配準(zhǔn)，再使用ICP算法精配準(zhǔn)，室內(nèi)往往處于無北斗/GNSS環(huán)境下，但室內(nèi)特征明顯，可通過特征進(jìn)行粗配準(zhǔn)再使用ICP算法精配準(zhǔn)。室外點云配準(zhǔn)流程如圖4所示。

圖4 室外多站點云配準(zhǔn)流程圖Fig.4 Point clouds registration flow-process diagram

點云數(shù)據(jù)粗配準(zhǔn)是將兩站點云大致配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下，為精配準(zhǔn)提供良好的初始值。地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)配備指北針和雙水準(zhǔn)氣泡，設(shè)定每站掃描啟動階段回到指北針初始位置，雙水準(zhǔn)氣泡在近距離范圍內(nèi)水平與垂直定向，保證每站都以指北針方向為初始方向，結(jié)合北斗/GNSS模塊提供的北斗/GNSS測站信息作為坐標(biāo)中心點，在模塊安裝階段將其換算到激光雷達(dá)模塊中心，從而保證多站點云坐標(biāo)能夠轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，完成多站激光點云粗配準(zhǔn)。

室內(nèi)特征配準(zhǔn)根據(jù)SIFT特征點提取算法獲取單站點云內(nèi)的關(guān)鍵點，以關(guān)鍵點坐標(biāo)歐式距離表征的三維位置相似度為基礎(chǔ)，來估算它們的對應(yīng)關(guān)系，確定同名特征點，一般由3個或3個以上不同的同名特征點計算出空間轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)而完成配準(zhǔn)，相鄰兩測站中的同名特征點分別為X0=(x0，y0，z0)與X=(x，y，z)，兩點間偏移量為ΔX(Δx，Δy，Δz)，兩 點 之 間 有 如 式（3）所 示 的關(guān)系：

其中：λ是尺度參數(shù)，點云變換中尺度不變即λ=1；ΔX為偏移量，重心坐標(biāo)分別為Xm和Xn，重心化坐標(biāo)為：

坐標(biāo)重心化后，同名點間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化如式（5）：

線性化后得到旋轉(zhuǎn)參數(shù)的誤差方程：

粗配準(zhǔn)后點云大致重合但精度不高，利用ICP算法再次配準(zhǔn)提高配準(zhǔn)精度。給定相鄰兩站點云，在X點集內(nèi)搜索距離P中的每一個點Pi的最近點Yi，建立點對的映射關(guān)系的對應(yīng)點集即為Y=，即Y=C（P，X）其中C為對應(yīng)點的坐標(biāo)變換，不停迭代直到滿足精度為止。粗配準(zhǔn)后的點云誤差在7 mm以下，經(jīng)過ICP算法再次配準(zhǔn)的誤差在3 mm以下。本節(jié)以校園內(nèi)教學(xué)樓為實驗區(qū)域，使用地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，對教學(xué)樓一面進(jìn)行布站掃描，并使用自主研發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理程序進(jìn)行處理得到完整點云，實現(xiàn)了自動化掃描與配準(zhǔn)，有效節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時間，配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)未出現(xiàn)分層情況，精度滿足各實時應(yīng)用領(lǐng)域的需求。室外點云整體配準(zhǔn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 室外完整點云Fig.5 Outdoor complete point cloud

4 實時點云管理與可視化系統(tǒng)

4.1 激光點云數(shù)據(jù)5G實時傳輸

由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性差，4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和時延的限制，造成海量激光點云實時傳輸困難，而5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低延時、大容量等特性正可以解決這些技術(shù)瓶頸。地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)工作獲取海量激光點云點云文件和角度文件，將采集的全部數(shù)據(jù)打包壓縮，傳輸給5G模塊，當(dāng)5G通訊模塊接受到數(shù)據(jù)后，利用云端服務(wù)器，通過內(nèi)網(wǎng)穿透映射傳送給遠(yuǎn)程終端。通過測試證明使用5G模組傳輸速率可達(dá)50 Mbit/s，能夠?qū)崿F(xiàn)海量激光點云實時傳輸，具體傳輸流程如圖6所示。

圖6 5G數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig.6 5G data transfer flow-process diagram

4.2 終端激光點云數(shù)據(jù)加載與可視化

本文采用自主開發(fā)的實時點云管理與可視化系統(tǒng)，主要由點云數(shù)據(jù)傳輸模塊、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、GIS分析模塊、功能管理模塊、三維場景模塊、三維比對模塊組成，各個模塊間各自分工又相互協(xié)作，可對地基激光測量系統(tǒng)獲取的激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)一步管理和應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 System architecture

系統(tǒng)主界面如圖8所示，用戶可進(jìn)行三維數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)加載、實時監(jiān)測以及三維場景可視化等。

圖8 實時點云管理與可視化系統(tǒng)Fig.8 Real-time point cloud management and visualization system

為了實現(xiàn)海量激光點云高效可視化對點云構(gòu)建具有多細(xì)節(jié)層次的3DTiles瓦片結(jié)構(gòu)，通過八叉樹分割算法將場景文件分割成多細(xì)節(jié)層次散列文件，將散列文件轉(zhuǎn)化為pnts瓦片數(shù)據(jù)格式，并將瓦片數(shù)據(jù)的地理空間位置、旋轉(zhuǎn)矩陣、幾何誤差等信息按照八叉樹空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成索引文件，最終生成3DTiles瓦片結(jié)構(gòu)。激光點云構(gòu)建3D Tiles的流程如圖9所示。

圖9 構(gòu)建3D Tiles流程圖Fig.9 Building 3D Tiles flow-process diagram

同時在可視化過程中引入LOD調(diào)度策略，使用屏幕空間誤差SSE=geometricError×height/distance×sseDenominator來決定瓦片的細(xì)節(jié)層次，去加載調(diào)度不同級別的瓦片數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化效果如圖10所示。

圖10 點云數(shù)據(jù)可視化效果Fig.10 Point cloud data visualizations

5 結(jié)論

本文將5G通訊技術(shù)與北斗/GNSS定位模塊相結(jié)合研制了一款價格低廉、攜帶方便的地基激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，并配備自主研制的時間同步模塊、點云預(yù)處理程序及實時點云管理與可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)海量激光點云從采集、處理到應(yīng)用一體化。實驗結(jié)果表明，5G通信技術(shù)可以有效解決海量激光點云遠(yuǎn)程實時傳輸問題，配備自主研制點云預(yù)處理程序可供用戶快速獲取完整點云數(shù)據(jù)，可為數(shù)字孿生、物質(zhì)文化遺產(chǎn)監(jiān)測、特大異形建筑施工運維分析等實時應(yīng)用領(lǐng)域提供數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，具有廣泛的應(yīng)用價值和較大的經(jīng)濟(jì)效益。