三维激光扫描与多传感器集成移动测绘技术与应用-钟若飞

2.1.2 硬件集成——选择惯导的理由（3）
车载三维数据采集系统在高楼大厦林立的城市中运行， GPS信号时有时无。又由于交通状况的影响，车载平台 时走时停，这些都使得车载系统的工作环境十分独特。
容易失锁的地方：
立交桥、过街天桥、高楼底下、两边是树的林荫道， 一般失锁时间是30秒 ，所以我们关心组合导航系统的精 度也是主要是关心在失锁30秒或1分钟之后可以达到的 精度
地表
航空 摄影
外业 控制
空三 加密
内业 成图
移动激光
一、技术与应用背景：移动激光测量
定义：一种基于移动载体的影像和激光点云数据采 集系统。
功能：在移动载体行进过程中获取精确的地理编码 影像和激光点云数据。
z y
2D激光测距仪
x GPS天线
CCD相机
IMU
一、技术与应用背景：激光测量与摄影测量区别
激光技术指标计算
一些计算：
假定转速50圈，也即每秒激光扫描仪扫描频率可达50条线 相当于100k/50=2K个点在360度的空间均匀分布 此时角分辨率=2*3.14/2000 约为3mRad
在时速50公里时，在100米外的数据点纵向和横向的间距仅为0.3 米左右。
车行方向激光点间距计算：
车速50公里/小时 = 13米/秒 13/50=0.26米
扫描方向点距计算：
圆弧长= 半径*弧度 100*3/1000 =0.3米
100米外光斑大小为：
0.3/1000 * 100 = 0.03米 也即3cm
2.1.1 激光的选型——Velodyne
测距精度 2cm
2.1.1 激光的选型——ibeo LUX
2.1.1 激光的选型——Riegl VUX-1
• 更轻 • 更紧凑 • 多用途 • 多数据-立体影像、激光点云、红外热成像、视频、音频 • 快捷的检校方式 • 操作简易、安装方便 • 低成本 • 空地一体化弥补车载立面视角局限 • 组合导航与摄影测量结合解决GPS信号缺失问题
汇报提纲
一、移动测量技术背景 二、主要关键技术 三、多功能一体化集成系统 四、三维信息集成与综合处理系统
二、主要关键技术
硬件选型与集成 时间同步 空间检校
2.1 硬件集成
研制将GPS、 IMU、DMI、激 光、CCD集成优 化、服务快速获 取地理空间数据 的移动载体激光 建模测量系统
单一传感器 多传感器
2.1 硬件集成
集成度（不同传感器的精度要求应在同一个数量级）
基于便携机的数据记 录和控制软件
机载—车载—室内
集成创新，自主 知识产权系列产 品
大型—中型—轻型
一、技术与应用背景：传统方式弊端
传统三维建模方式从数据采集到成图周期太长，如航测
传统街景方式为二维、清晰度低、不够逼真
传统城市部件采集方式效率低
有必要将当代的、尖端的传感器全部用上
航天—》航空—》车载
下视—》环视
基于激光的移动测量可克服基于近景摄影测量下述缺点：
人工观测点击同名点、交互工作量大 基线较短、精度低 不便于自动分类、提取、实体化
被动测量 间接测量
主动测量 直接测量
一、技术与应用背景：部分国外产品
英国MDL产品 加拿大Optech产品
国外产品自2010年在国内销售
日本TOPCON产品
2.1.2 硬件集成——选择惯导的理由（2）
• 解算激光扫描仪数据时，六个外方位元素包含翻滚、俯
仰、航向，而单个GPS不能输出姿态，IMU输出参数包含ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ整个载体的三个姿态角。
• 是否可以考虑用三个GPS组成一个三角形来测姿呢? 国内 也有这样的研究，但有一些缺陷，一个是输出频率低，一 个是容易失锁，另外还需要长基线。
Applanix产品
一、技术与应用背景：部分国外产品
上述产品可分为高端测量型（900万）和低 端街景型（300万）
一、技术与应用背景：系统售价昂贵原因
• 核心部件昂贵（激光和惯导） • 技术含量高，涉及多个技术学科交叉 • 产品相对可选择较少 • 需要事后处理软件 • 市场潜在客户少
一、技术与应用背景：实际应用对产品的需求
GNSS 天线
360°激光扫描仪
电子转台
2.1.1 硬件集成——激光的选型
• 成本 ————10万人民币到100万人民币不等 • 线扫频率————至少20HZ到200HZ不等 • 点描频率————至少1000个点 • 距离——————至少30米 • 测量精度————至少10cm • 距离分辨率————至少2cm • 重量———————最好2kg以内
2.1.1 激光的选型——FARO X330
2.1.1 激光的选型—— Riegl VZ系列
2.1.2 硬件集成——惯导的选型
位置姿态系统（Position and Orientation System, POS）（测绘） 惯性导航技术( INS, Inertial Navigation System ) 捷联惯性导航系统 （SINS ，Strapdown Inertial Navigation System） 惯性测量器件(IMU, Inertial Measurement Unit）
POS的本质是捷联惯性导航系统与GPS构成的组合系统。SINS可实时连续地测 量载体的位置、速度和姿态等全部运动参数，但是其误差随时间累积。GPS可以 提供载体的高精度位置和速度，但是GPS信号易受到遮挡、干扰等因素影响，且 数据更新率低，因此将SINS和GPS组合起来，可以综合二者的优点，实现优势互 补，是一种较为理想的位置姿态测量系统。
三维激光扫描与多传感器集成移动测绘技术与 应用示范
汇报提纲
一、技术与应用背景 二、主要关键技术 三、多功能一体化集成系统 四、三维信息集成与综合处理系统
一、技术与应用背景：立体化监测需求
航空、 数 无人飞 据 行器 获
取
三维激光 扫描
探地 雷达
高精度立体监测 网络
空中-地面-地下监 测网络
多载荷数据获取 平台
2.1.2 硬件集成——选择惯导的理由（1）
• 更新频率，GPS 20HZ，IMU 200HZ
假定车行速度是40km/h，相当于10m/秒，则只用GPS 的话两个输出点之间的距离是10/20 = 0.5米，即50厘米 假如用IMU的话，两点之间车移动的距离为 10/200 = 0.05米 ， 即5厘米