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

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(wèn)題[1-2]。基于多傳感器集成的移動(dòng)激光掃描測(cè)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(dòng)態(tài)的測(cè)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(shí)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(duì)位置之后，通過(guò)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(duì)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(guó)內(nèi)外專家學(xué)者多年來(lái)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(wú)人機(jī)載MLS和背負(fù)式MLS。由于MLS與傳統(tǒng)的測(cè)繪地理信息獲取手段相比，具有高精度、高效率、自動(dòng)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(shù)木普查、市政管理和道路測(cè)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(guó)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(tái)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng) Robin；國(guó)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(guó)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(duì)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(dòng)激光掃描測(cè)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(duì)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(cè)量功能，并使MLS達(dá)到工程測(cè)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(chǔ)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(tái)POS、1臺(tái)激光雷達(dá)、1臺(tái)從站GNSS、1臺(tái)控制計(jì)算機(jī)和電源組成一套可用于多種載體平臺(tái)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(wàn)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(guó)產(chǎn)北斗星通GNSS，主要包括 C201型接收機(jī)和 GPS500天線。對(duì)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(guò)TNC互連，將主站天線接收的衛(wèi)星信號(hào)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(hào)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(duì)準(zhǔn)。

4）從站接收機(jī)與從站天線通過(guò)TNC互連，將從站天線接收的衛(wèi)星信號(hào)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(guò)高燒壞設(shè)備，過(guò)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(kāi)光控制開(kāi)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(dòng)激光掃描系統(tǒng)的核心問(wèn)題是多傳感器間的數(shù)據(jù)融合。在數(shù)據(jù)融合過(guò)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(wú)法對(duì)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(duì)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(wú)法直接使用，需要求解激光雷達(dá)坐標(biāo)系中心相對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)、推薦定位信息（$GPRMC）和信號(hào)地與GPS接口相應(yīng)的針腳相連。如表1所示。同時(shí)，由于激光雷達(dá)只能識(shí)別接收頻率為 1 Hz、波特率 9 600的$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(jí)，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)融合時(shí)，無(wú)法確定激光頭掃描對(duì)應(yīng)時(shí)刻載體準(zhǔn)確的位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，需要對(duì)POS的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，估算對(duì)應(yīng)的位姿數(shù)據(jù)。

圖4 GPS接口定義

表1 針腳對(duì)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(duì)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(tái)在設(shè)計(jì)加工時(shí)已經(jīng)讓加工廠對(duì)設(shè)備尺寸進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)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(tái)加工之后，以電動(dòng)三輪車為載體，在中心校區(qū)的環(huán)道進(jìn)行了移動(dòng)測(cè)量路測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證MLS平臺(tái)是否能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)測(cè)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(hào)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(cè)實(shí)驗(yàn)的展開(kāi)。路測(cè)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(guò)程：

第一，數(shù)據(jù)采集過(guò)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(kāi)始靜態(tài)數(shù)據(jù)采集；然后打開(kāi)MLS，使POS和激光雷達(dá)通電，對(duì)POS進(jìn)行初始化設(shè)置，載體繞著環(huán)道勻速行駛開(kāi)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(guò)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(huì)自動(dòng)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(cè)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(hào)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(guò)平滑算法對(duì)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(hào)，定位定姿精度較高；該路段道路開(kāi)闊，兩側(cè)樹(shù)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(cè)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(cè)距范圍，無(wú)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(duì)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(guò)局部點(diǎn)云圖 8可以看出：路測(cè)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(duì)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(dòng)過(guò)大所致；同時(shí)某些地方出現(xiàn)無(wú)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，這些空缺可能是物體反射率過(guò)低所致。

圖8 點(diǎn)云局部

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)城市空間地理信息采集的需求，設(shè)計(jì)集成了一套移動(dòng)激光掃描測(cè)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(dòng)激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合過(guò)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(wèn)題；對(duì)移動(dòng)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行的路測(cè)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(lái)說(shuō)，本文集成的測(cè)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(dòng)測(cè)量需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，后期將結(jié)合本文的MLS對(duì)相關(guān)問(wèn)題做進(jìn)一步的研究。