實(shí)景三維之激光點(diǎn)云采集技術(shù)

        實(shí)景三維之激光點(diǎn)云采集技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量技術(shù)(INS)和高精度動(dòng)態(tài)GPS差分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)。激光測(cè)距技術(shù)在傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量中就扮演著非常重要的角色,從最初的有反射棱鏡的測(cè)距儀系統(tǒng)發(fā)展到如今無(wú)合作目標(biāo)的激光測(cè)距系統(tǒng);GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)徹底解決了海陸空的定位問題:INS和GPS的集成為確定高動(dòng)態(tài)載體的姿態(tài)成為可能。以上幾種技術(shù)的成熟運(yùn)用及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為整個(gè)系統(tǒng)的集成奠定了技術(shù)基礎(chǔ),機(jī)載激光雷達(dá)實(shí)際上已經(jīng)代表了對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向。整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜,就數(shù)據(jù)獲取的方式來(lái)講更像大地測(cè)量系統(tǒng)(通過(guò)測(cè)邊、測(cè)角進(jìn)行點(diǎn)的定位),就數(shù)據(jù)后處理的方式來(lái)講卻更像攝影測(cè)量系統(tǒng),包括地物的提取,建筑物三維重建等。實(shí)景三維之激光點(diǎn)云采集技術(shù)現(xiàn)在有以下三種技術(shù)：機(jī)載激光點(diǎn)云采集技術(shù)，車載激光點(diǎn)云采集技術(shù)，基于 SLAM 的激光點(diǎn)云采集技術(shù)。

　　1. 機(jī)載激光點(diǎn)云采集技術(shù)

　　機(jī)載激光掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (global navigation satellite system，GNSS)、慣性測(cè)量裝置 (inertial measurement unit，IMU) 以及高分辨率數(shù)碼相機(jī)等部件組成。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)以各類低、中、高空飛行器(如航空飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人旋翼機(jī)、汽艇等)為平臺(tái)獲取觀測(cè)區(qū)域的三維空間信息。按照搭載平臺(tái)的不同，機(jī)載激光掃描系統(tǒng)又可以分為有人機(jī)載激光掃描系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)載激光掃描系統(tǒng)。當(dāng)前，有人機(jī)載激光掃描系統(tǒng)主要有:加拿大 Optech 公司的Eclipse、Galaxy，瑞士 Leica 公司的 ALS系列、SPL 系列，以及奧地利 Riegl 公司的LMS-Q系列:無(wú)人機(jī)載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、可控性強(qiáng)、成本低、受外界環(huán)境影響小等傳統(tǒng)測(cè)繪手段無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前主流的無(wú)人機(jī)載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)主要包括: 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的 Heli-mapper 低空 LiDAR 系統(tǒng); Wallace 利用八旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載輕小型激光掃描儀構(gòu)建的 TerraLuma UAV-LiDAR 系統(tǒng);Riegl公司推出的無(wú)人機(jī)搭載平臺(tái) VUX-SYS 和 minivUx;武漢大學(xué)研制的無(wú)人機(jī)激光掃系統(tǒng)麒麟云;東京大學(xué)在雅馬哈 RPH2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)開發(fā)的模塊化多傳感器集成移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

　　機(jī)載激光掃描系統(tǒng)通常需要在觀測(cè)區(qū)域架設(shè)一定數(shù)量的全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem，GPS)基準(zhǔn)站與飛行器上 GPS 進(jìn)行實(shí)時(shí)差分，來(lái)提高飛行器定位的精度。此外，為了獲取觀測(cè)目標(biāo)更真實(shí)的紋理信息，彌補(bǔ)激光數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)物理特性表達(dá)的不足，在飛行器上可以搭載光學(xué)成像設(shè)備，如 CCD 相機(jī)等。當(dāng)前，機(jī)載激光掃描儀設(shè)備主要有多回波 LiDAR 和全波形 LiDAR 兩大類。多回波 LiDAR采用簡(jiǎn)單的回波探測(cè)方法，如恒比鑒相器實(shí)時(shí)檢測(cè)回波，得到目標(biāo)相對(duì)觀測(cè)中心的距離。全波形LiDAR 在激光束發(fā)射后以很小時(shí)間間隔(如 1ns)不斷記錄后向射信號(hào)，通過(guò)各種波形分解方法，如高斯分解、去卷積方法等，可獲取觀測(cè)目標(biāo)表面的幾何信息和物理特性。

　　機(jī)載 LiDAR 系統(tǒng)觀測(cè)目標(biāo)三維坐標(biāo)原理。其中，動(dòng)態(tài)差分GPS測(cè)定GPS天線相位中心的坐標(biāo)IMU確定飛行器的姿態(tài)(俯仰角、航偏角和側(cè)滾角)，激光掃描儀測(cè)量激光掃描中心與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離并記錄掃描鏡的方位信息，以此計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)在WGS-84 坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。由于各觀測(cè)單元(GPS、IMU激光掃描儀)測(cè)量的數(shù)據(jù)均在各自獨(dú)立的坐標(biāo)系下，且參考中心和坐標(biāo)軸方向都不同，需要嚴(yán)格的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換處理。在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程中涉及6 個(gè)坐標(biāo)系之間的 5 步轉(zhuǎn)換。6 個(gè)坐標(biāo)系分別是瞬時(shí)激光束坐標(biāo)系、激光掃描坐標(biāo)系、慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系、當(dāng)?shù)厮絽⒖甲鴺?biāo)系、當(dāng)?shù)卮怪眳⒖甲鴺?biāo)系以及WGS-84 坐標(biāo)系。對(duì)于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，可以通過(guò)飛行作業(yè)前系統(tǒng)檢校結(jié)果(如: 各參考中心平移參數(shù)、安置角誤差等)、相關(guān)傳感器相互關(guān)系測(cè)定數(shù)據(jù)等來(lái)確定。

　　2.車載激光點(diǎn)云采集技術(shù)

　　車載激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)在于突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量法，具備穿透地表覆蓋的森林植被的能力，更好地獲取地形信息。將激光雷達(dá)搭載在機(jī)動(dòng)車上，通過(guò)對(duì)道路及其兩側(cè)的掃描來(lái)記錄目標(biāo)的位置和反射強(qiáng)度等信息，可以快速、高密度、低成本、高精度、高自動(dòng)化地完成道路及其沿線設(shè)施的三維信息采集，大大減少了外業(yè)采集的工作量，工作便捷,信息采集高效，精細(xì)化程度高。

　　隨著慣性測(cè)量器件 IMU 性能和 GPS 和INS 組合定位技術(shù)等不斷提升，加之 CCD數(shù)字傳感器、激光掃描儀等在測(cè)量精度、抗干擾、輕便、易操作等性能的提高，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和公司相繼研發(fā)了各種車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，其中有美國(guó)JECA 公司研制的主要用來(lái)測(cè)量道路的 TruckMap 系統(tǒng)、德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦大學(xué)的 KiSS 車載系統(tǒng)、日本東京大學(xué)空間信息科學(xué)研究中心研制的 VLSM 系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)有 1999 年武漢大學(xué)研制的WUMMS 系統(tǒng)、武漢立得空間信息技術(shù)發(fā)展有限公司的 LD2000-RM 系統(tǒng)、山東科技大學(xué)和武漢大學(xué)聯(lián)合研制的車載式近景目標(biāo)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ZOYON-RTM系統(tǒng)、南京師范大學(xué)與武漢大學(xué)研制的3DRMS 系統(tǒng)、華東師范大學(xué)研制的“GPS/北斗雙星制導(dǎo)高維實(shí)景采集系統(tǒng)”(ECNC-VLS) 系統(tǒng)以及 2011 年由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、首都師范大學(xué)等共同研制我國(guó)首臺(tái)車載激光掃描系統(tǒng) SSW-MMTS,該系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)全方向激光掃描儀 RA-360娉泵磅啊磅把拔挨艾挨璇腸愁摻寶彬豹俺遍出拌蚌頒安

　　在外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，進(jìn)行實(shí)地踏勘，確認(rèn)采集范圍內(nèi)的道路交通狀況，并在地圖上做好標(biāo)記，以便在外業(yè)線路規(guī)劃中可以進(jìn)行合理安排。提前規(guī)劃基站位置、行駛線路，盡量保證沿衛(wèi)星信號(hào)良好的路段行駛。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，車速應(yīng)盡量穩(wěn)定，保證各個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云密度大致相同。在路口地段，應(yīng)該保證數(shù)據(jù)具有一定的重疊度，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

　　3.基于 SLAM 的激光點(diǎn)云采集技術(shù)

　　同步定位與建圖 (simultaneous localization and mapping，SLAM)是指移動(dòng)機(jī)器人利用自身搭載的傳感器構(gòu)建環(huán)境地圖，同時(shí)利用環(huán)境信息進(jìn)行自主定位。SLAM 技術(shù)因具有較好的自主性和精度而廣泛應(yīng)用于各類移動(dòng)平臺(tái)中。移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò) SLAM 系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)境地圖，同時(shí)利用構(gòu)建的地圖進(jìn)行自主定位，SLAM。

　　設(shè) SLAM 問題中待估計(jì)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)為 Xoxk=x,,x3，其中，x表示k時(shí)刻載體的位姿參數(shù);設(shè) SLAM 構(gòu)建的地圖可表示為一組地標(biāo)的集合 M=mi,m,··m}，其中，m,表示第n 個(gè)地標(biāo)在地圖中的位置。機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中可以通過(guò)傳感器對(duì)地標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，這些觀測(cè)的集合表示為 Zox=zoz,.·,3;而驅(qū)使機(jī)器人從 x 到x轉(zhuǎn)移的控制量為 ，在移動(dòng)過(guò)程中所有控制量的集合表示為 U=uou,,u。SLAM 就是根據(jù)觀測(cè)Z和控制輸入 U，估計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡和地位置M的過(guò)程。在SLAM 算法框架中，對(duì)觀測(cè)Z的提取部分通常被稱為 SLAM 的前端front-end);而利用Zo和U對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和地標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)的部分被稱為SLAM的后端(back-end)前端算法一方面要從每一幀的傳感器數(shù)據(jù)中提取出地標(biāo)觀測(cè)信息，另一方面利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法判斷新一幀數(shù)據(jù)中的觀測(cè)地標(biāo)是首次觀測(cè)到的新地標(biāo)還是某一已經(jīng)被觀測(cè)到的舊地標(biāo)。在激光雷達(dá) SLAM 中，通常直接采用三維點(diǎn)云描述環(huán)境。建立幀間觀測(cè)的關(guān)聯(lián)也是前端算法的重要組成部分，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法與地標(biāo)描述方法緊密聯(lián)系。

　　激光 SLAM 系統(tǒng)在搭載激光雷達(dá)的同時(shí)，還會(huì)搭載 IMU、相機(jī)等傳感器，形成多傳感器融合的數(shù)據(jù)采集處理框架。

　　基于 SLAM 的激光點(diǎn)云采集技術(shù)在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，不斷進(jìn)行對(duì)點(diǎn)云坐標(biāo)的優(yōu)化，輸出即成圖，也體現(xiàn)了實(shí)時(shí)這個(gè)概念。若測(cè)區(qū)較大，要求后續(xù)的離線高精度建圖,可以保存每一幀數(shù)據(jù)，采集完成后進(jìn)行離線解算。

　　主流的商用背包式激光掃描系統(tǒng)主要有:瑞士 Leica 公司的 Pegasus，英國(guó)GeoSLAM 公司的ZEB Discovery，國(guó)內(nèi)數(shù)字綠公司的 LiBackpack 系列，國(guó)內(nèi)立得空間公司的背包俠，以及國(guó)內(nèi)歐思徠公司的 3D SLAM 激光全景背負(fù)式機(jī)器人等。主流的商用手持式激光掃描系統(tǒng)有瑞士 Leica 公司的 BLK 系列，美國(guó)KAARTA 公司的STENCIL系列，英國(guó)GeoSLAM 公司的ZEB Horizon，ZEB REVO等。主流的商用背包式激光掃描系統(tǒng)，背包式激光掃描系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。