车载激光测绘系统技术分析与研究

1、车载激光测绘系统技术分析与研究摘要：论述了车载激光测绘系统的国内外发展现状、技术原理、数据处理及特点等相关理论，提出了车载激光测绘系统在目前实际应用中存在的问题，并展望了车载激光测绘系统的技术发展方向。关键词：车载激光测绘系统；技术原理与数据处理；技术分析；1 引言20 世纪80 年代末，激光测绘技术在多等级三维地球空间信息的实时获取方面取得了重大突破，数据的获取方式逐步由人工单点获取，朝着连续自动获取的方向发展，使数据处理的自动化、智能化成为可能。激光测绘技术直接获取高精度三维数据，与传统测量技术相比具有明显的优越性，可广泛应用于三维空间数据的采集与更新。由于实际场景的多样性和复杂性，各种采

2、集目标地物的激光扫描测量系统相继问世，根据传感器搭载平台的不同可分为星载、机载、地面激光扫描测量系统。由于采用星载或者机载传感器来采集地面目标物体的三维数据造价相对较高且仅能够采集到城市等建筑物密集区域目标物体的顶面信息，对于近景三维目标的信息采集受到限制，因此车载激光扫描系统的研究成为热点。车载激光测绘依托于我国稠密的公路网，能够覆盖绝大多数测绘区域，作业灵活，使用资源很少，具备低成本、高效率、快速测量等特点，对我国数字化城市建设以及军事测绘等测绘工程提供了有力的技术支持。2 国内外发展现状目前，国外已推出的一些产品，如加拿大Optech公司的LYNX 移动激光测量车、美国Applanix

3、公司的LandMark、英国3D Laser Mapping 公司的StreetMapper 360、美国MDL 公司的Dynascan、日本TOPCON 公司的IPS2、诺基亚所属公司NAVTEQ 的激光采集车、德国SITECO公司所生产的Road Scanner 以及Google 使用的街景采集车。国内武汉大学、山东科技大学、南京师范大学、华东师范大学、北京首都师范大学也进行了相关研究并推出类似产品。这些产品的集成原理都是相似的，不同之处主要是面向的市场需求不同，所采用传感器的类型和技术指标也不同。目前市场上存在的车载移动激光扫描系统供应商主要有TOPCON，TRIMBLE，OPTECH，

4、RIEGL，MDL 和SITECO 等。图1 LYNX 移动激光测量车图2 美国MDL 公司的Dynascan图3 StreetMapper 360图4 日本TOPCON 公司的IPS23 技术原理与关键技术车载激光扫描系统是在垂直于行驶方向做二维扫描，以汽车行驶方向作为运动维，构成三维扫描系统，其所获得的数据是由全离散的矢量距离点构成的“点云”，每一个像素所包含的是一个距离值和一个角度值。就数据获取方式而言，车载激光扫描更像大地测量系统，通过测边、测角进行定位; 就数据后处理方式而言却更像摄影测量系统，使用共线方程的方法，由位置姿态（POS） 系统获取车载GPS 天线相位中心坐标与惯性导航系

5、统（IMU） 获取的翻滚、俯仰和偏航等数据联合处理，得到影像的六个外方位元素，利用其进行摄影过程的几何反转，实现车载激光扫描系统直接对目标定位。3.1 系统构成移动激光测量技术是目前世界上较为先进的一种测绘手段，其系统构成为: 用于导航定位的航向或距离传感器( 如GPS、惯性导航系统( IMU) 、里程计等) 和用于扫描或摄影成像的传感器( 如线/面阵CCD、激光扫描仪等) 以及汽车承载工具。其中三维激光扫描仪使用激光测距机械扫描工作体制。载车为激光测绘系统的移动工作平台，提供各测量设备的安装平面及电力供应；三维激光扫描仪是测绘数据获取的关键传感器，对探测区域目标进行测量；CCD 相机作为影像

6、传感器，提供激光扫描仪探测区域目标的属性信息；卫星定位系统、惯性导航系统提供载车的位置信息和姿态信息，为激光扫描仪的测量数据在全球坐标系中定位提供必要的信息，综合信息处理系统完成多传感器的数据处理与融合，最终生成测绘信息。GPS/IMUCameraLidarAngle encoderData processingComputerCar图5 车载测绘系统构成图3.2 系统工作过程首先，利用GPS 对载车进行定位，获得准确的测量原点大地坐标。再利用GPS 和IMU 对载车测绘基准的姿态进行测量，得到大地坐标系下三维激光扫描仪的高低角、偏航角以及滚动角。然后，利用三维激光扫描仪对测绘点进行逐点测量，

7、得到测绘点相对于测绘基准的方位角、高低角以及距离。通过坐标换算得到测绘点的大地坐标。目标的属性等信息通过CCD相机同步采集的照片进行辨识。最后，生成测绘产品输出。3.3 系统测量原理YXZ（XGPS，YGPS，ZGPS）YXZRM（qyaw，qpitch，qroll）图6 测量原理图图中，M 为被测量点， 坐标设为（X,Y,Z）。XGPS、YGPS、ZGPS为载车坐标，由GPS 提供。当测量目标时，三维激光扫描仪与大地坐标轴夹角由IMU 和GPS 测得，分别得到姿态角度yaw、pitch、roll， 目标相对激光雷达坐标系统的坐标为（Xlaser，Ylaser，Zlaser），可以由激光扫描仪

8、测得的目标距离和目标视线角度计算得到。目标点的位置算法如下： 式中： 设目标相对于激光扫描仪视线角度分别为A（水平角）、E（高低角），目标距离为R，则：3.4 关键技术高速度、高分辨率激光扫描技术激光扫描是依据数据采样密度和空间分布要求，通过机械和光学扫描的方式将激光测量光束按采样要求精确投射到测量表面的过程。高密度快速精确采样测量是车载三维激光扫描测量的重要特征，而高精度、高速度、高分辨率激光扫描技术是实现高密度精确采样测量的基础。为了实现高密度快速采样，首先要求激光点频高，通常需要10 kHz 以上的激光点频率，某些机载测量产品需要高达200 kHz 的激光点频率。车载激光测量系统对点频率

9、的需求是从车速、扫描角范围、要求的采样密度计算得到。其次，为了实现均匀采样，对扫描点的均匀性要严格控制。 高精度自然目标激光扫描测距技术距离信息是激光测绘的重要参数之一，目标的坐标由距离信息计算得到。由于自然目标类型复杂、光学特征差异大等原因，针对自然目标的激光测距一般很难获得较高的测距精度，这是直接影响三维激光扫描测量精度的一个重要因素。大气扰动、目标表面的不同光学特征引起的信号起伏、相邻目标距离的剧烈变化等因素都是影响激光测距精度的重要原因。技术上，在快速扫描状态下对自然目标的高精度激光测距往往采用窄脉冲激光和恒比定时技术，以削弱主回波前沿的抖动。而为了实现稳定的恒比定时，要求系统能够有效

10、地抑制大动态范围变化带来的信号微弱和信号饱和的快速交替变化，这是系统设计的难点。多传感器协同与定标技术多传感器的协同与定标是将用于测量的多个传感器纳入统一坐标系和时间基准下，实现同步控制、测量与解算，是获得高精度测量数据的基础。目前的技术手段尚无法实现多传感器测量原点的高精度重合，测量时间也很难保持完全同步。测量原点不重合，在计算过程中难免引入误差，需要使用高精度测量仪器准确测量各测量原点间的空间几何关系，得到安装矩阵，在运算中引入安装矩阵计算测量点的坐标。通常需要使用全站仪、立方镜以及激光准直器等实现多个传感器的安装矩阵测量。车载测量设备是在运动中测量，不同时刻，测量的基准点不同，因此，需要

11、统一的时间基准，确保每个传感器的测量时刻控制在允许的误差范围内。多数大型测量系统中，使用GPS 授时时钟作为时间基准，利用自身的高精度时钟作为本地时钟，本地时钟在一定时间内使用GPS 授时时钟校准。由本地时钟分频后满足多个传感器不同的时钟频率需求。同时实时计算传感器测量时刻与时钟的误差，利用插值算法修正传感器测量时间误差引入的测量误差。4 技术特点车载激光扫描系统研制的目的首先是城市环境的快速三维建模，在建模的基础上再对建好的立体模型进行量测。与其他测量手段相比具有以下特点。1) 该系统借助于搭载在运动载体上的传感器并辅之以导航定位系统进行载体的绝对位置获取通过建立相对位置传感器和绝对位置传感

12、器统一的时间基准和空间基准完成数据的融合，既满足建模的高效、精细，又满足测量的高精度。2) 数据信息丰富。获取的点云数据包含物体表面精细的数据信息，每个点均带有三维坐标信息和回光强度值，真实地展现了物体的原貌，可以有效解决形状复杂物体的建模问题。3) 在城市人口、建筑密集区，无地面控制点的情况下，可以实时、动态、快速地采集目标地物的三维信息。4) 与机载系统相比，获取数据为三维空间物体立面的几何信息，距离物体较近，数据精度也相对提高，节约了成本。5 数据处理过程数据处理包括数据预处理、数据滤波、数据分类和建筑物特征提取。1) 数据预处理目的就是将车载激光扫描系统采集的GPS数据、三维激光扫描仪

13、数据等联合解算得到数据后处理所用的点云数据。GPS数据惯导数据位置姿态数据激光发射点轨迹数据激光数据三维点云数据CCD数据彩色三维点云数据图7 数据预处理过程2) 数据滤波主要是去除测量噪声和提取地面点，得到后续处理所需要的原始数据。3) 数据分类以自动化和人工交互相结合的形式实现，目的是将滤波后的激光扫描数据区分为地面点和其他不同种类的地物点。4) 建筑物特征提取从分类后的数据中提取建筑物数据，从中提取建筑物特征。目前，市场上已有大量点云处理软件，包括AutoDesk和MicroStation 等大型设计软件，它们提供一系列用于点云可视化、形状提取和CAD 建模的工具，ESRI 甚至提供了点

14、云在GIS 和制图中应用的模块。点云在具体应用中，不得不借助多个软件，使用人工交互的方式完成。6 结论车载激光测绘系统作为一种新兴的三维空间信息数据采集手段，能够快速、实时、精确地完成道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据的采集和处理，有效弥补了传统测绘方式的不足，最大程度地实现空间数据的快速采集和更新，节约了成本，能充分满足当今地理信息系统的需要。随着三维激光扫描技术的不断完善及商业化的成熟，车载激光测绘技术的应用领域和范围也会不断扩大，必将成为城市信息化采集的重要手段，具有重要的研究和社会价值。车载激光测绘系统作为新兴技术在不断完善的同时，也还存在一些不足之处:1) 激光扫描仪是个构造

15、复杂的集成系统，其难以检校与维修; 仪器昂贵，主流扫描仪售价在100万人民币以上，市场定位为高档设备，其过高的价格限制了其技术的推广。2) 点云数据后处理费时费力，处理时间是数据采集时间的10倍。扫描易，处理难，而且对数据的合理利用还有待开发。3) 扫描后处理软件技术不够完善，各厂家自成一体，互不兼容。缺乏统一的行业标准，缺乏实用而价格相对便宜的软件。4）国内对地面三维激光扫描仪的研究主要集中在科研院校，没有形成集开发、生产、应用一体的团队。参考文献：1 陈允芳，叶泽田，谢彩香，等.IMU/DGPS 辅助车载 CCD及激光扫描仪三维数据采集与建模J.测绘科学，2006,31( 5):91922 卢秀山，李清泉，冯文灏，等车载式城市信息采集与三维建模系统J 武汉大学学报( 工学版),2003,36( 3):76803 李媛.车载激光扫描系统及其在城市测量中的应用J.测绘与空间地理信息,2012