车载三维数据获取与处理系统设计与实现

1、车载三维数据获取与处理系统设计与实现                   作者：魏波 张爱武 李佑钢 冀翼 王瑶 【摘要】  为了实现对城市主干道及其两侧的街景等三维场景进行自动快速采集，车载三维数据获取与处理系统集成多种传感器：全球定位系统（GPS）、VECTOR、惯性测量单元 (IMU)、激光扫描测距仪（LS）、面阵CCD数码相机、线阵CCD数码相机等。该套系统通过对GPS/IMU组合系统导航

2、解算、VECTOR和升降几何平台进行空间配准、时间同步处理，计算出系统精确可靠的空间时间和姿态航向信息，二维激光扫描仪数据经过滤波去噪、和其他传感器数据融合、三维空间计算，解算出道路和两侧街景的三维空间数据模型，对空间激光数据模型提取点线面特征值，结合CCD相机数据进行立体重建和可视化，实现了实时、主动、完整地获取和处理三维空间数据信息。 【关键词】  多传感器数据融合； GPS/IMU组合导航； 三维立体重建         Abstract: In order to achieve a collect

3、ion of information of the 3D scenes of main streets and their two sides in city automaticlly and quickly, a vehicle-borne system of 3D data acquisition and processing was developed by integrated with Global Positioning System (GPS), VECTOR, Inertia Measurement Unit (IMU), laser scanner (LS), planar

4、charge coupled device digital camera, linear charge coupled device digital camera, etc. System computes combined navigation system of GPS/IMU, VECTOR and ascendable geometry stable platform, proceeds in space registration and time synchronization, calculates the systems accurate space, time, stance

5、and  course. Planar laser scanning data was filtered, registered space-wisely and time synchronously and fuse computered with other sensors data, extracted to 3D solid model of characteristic information of the road and outside of street, continuously extracted to point, line and plane, reconst

6、ructed combined with CCD camera data and visualized to 3D model true scene, finally implement acquisition and process of 3D space data timely, initiatively and integrally.    Key words:  data fusion of multi-sensor; combined navigation of GPS/IMU; 3D solid reconstruction 

7、60;  为了有效地解决实时、快速、准确、完整的数据信息获取与处理问题，本课题集成差分全球定位系统(Differential Global Positioning System， DGPS)、Vector、惯性测量单元(IMU)、扫描式激光测距仪（2D Laser scanner，2D LS）、线阵CCD相机、面阵CCD相机(charge coupled device，CCD) 等传感器于开启天窗、对电源系统和桌椅改造过的汽车运载平台上，建立一套车载三维数据获取与处理系统，该系统能实时、主动、完整地获取和处理三维空间数据信息，实现城市街景快速建模。   

8、 1  系统设计组成结构    完整的车载三维数据获取与处理系统由定位定姿模块和影像采集模块两部分组成，其中用于定位定姿态的传感器有DGPS、VECTOR、IMU等，用于扫描或摄影成像的影像传感器有扫描式激光测距仪（2D LS）、线阵CCD和面阵CCD相机等。这两部分和车载升降台、车载计算机及经过改装的汽车运载平台组成整个系统。    系统通过集成DGPS、IMU，获取系统时间、车载平台位置与姿态，1台VECTOR获取车前进的航向角，为系统提供定位定向定时信息。利用2DLS获取地物目标几何数据，采用线阵和面阵CCD相机获取地

9、物目标的图像数据，采用Kalman滤波融合GPS、IMU数据，空间检校技术确定传感器间相对方位、空间配准，并建立多传感器系统的时间同步配准。系统设计如图1。    图1  系统设计示意图    系统的工作原理是：车辆以一定速度沿道理前进，GPS及IMU同时观测并记录传感器的位置和姿态数据，面阵CCD和线阵CCD分别获取建筑物立面影像信息及道路路面，激光扫描仪也同时将道路两侧建筑物表面的点云记录下来，所有传感器都受控于计算机系统，并通过同步控制系统触发脉冲来实现数据同步采集。在后续处理中，利用GPS于惯性导航系统集成技术为影像

10、传感器提供高精度的位置和姿态数据以快速恢复出城市街区的场景模型，所获取的城市三维目标信息可以满足当前“数字城市”的需要。    1.1  DGPS系统    DGPS系统确定平台的移动位置，由一台车载GPS和在一实验楼10层顶架设一台基站接收机组成。系统采用NovAtel DL-4型双频高精度、高数据刷新率GPS。GPS数据通过串口输出到计算机进行存储处理。    1.2  VECTOR    航向测量系统（VECTOR）用来为惯性导航初始对准提供航向角。

11、为了获取车前进方向的航向角，接收信标差分信号，提高GPS的定位精度，系统采用了加拿大CSI Wireless公司的GPS测向产品VECTOR Sensor PRO接收机。    1.3  惯性测量单元    惯性测量单元为系统提供平台位置和姿态。系统动态测量、定位和导航IMU选用低价位、高性能的测量元件惯性传感器YH-7000惯性测量单元（IMU）&垂直陀螺仪（VG），可得出所需的角度和运动参数。惯性测量单元由一组三轴±2、±5或±10   g的固连加速度计（带宽&g

12、t;100   Hz），和一组三轴100、200 或300   deg/s的光纤陀螺FOGs（带宽>100   Hz）组成，通过滤波，16位A/D转换，起始误差和轴向偏差的补偿，经过约140   Hz，38400波特率的串口输出一组6 个惯性测量的数据。陀螺仪采用根据光的干涉来测量角度旋转的FOG传感器。    1.4  激光扫描仪    三维城市模型的构建需要真三维的空间数据和真实影像数据，采用基于地面的激光扫描系统获取城市三维重建和局部区域空间信息。    系统采用了SICK公司生产的SICK LMS291二维激光扫描仪。将扫描仪装载到移动测量车的升降平台上，当测量车沿着某一方向运行时，扫描仪实时获取道路两侧的相应物体的二维位置信息。    1.5  面阵线阵CCD相机    面阵CCD相机获取建筑物立面纹理信息。采用从杭州超亿数码公司定做2台600万像素面阵CCD数码相机NED-7500D。数据接口采用PCI 2.2标准采集