车载移动测量系统装备研制与应用_明镜

须安装在一个刚性平台上， 才能够保证设备在整体 移动过程中不出现传感器之间的相对位移 ， 从而保 证数据精度。本项目采用了自主专利设计的结构件 设计， 硬件系统实物图如图 2 所示。 1．2 1．2．1 系统精度提升 理论模型
整个系统的测量基础是要生成带世界坐标的点 云， 需要将每个激光点赋予正确的世界坐标。 激光
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． 测绘通报， 2017 （ 9 ） ： 136141． DOI： 10． 13474 / j． cnki． 112246． 2017． 引文格式： 明镜， 向泽君， 龙川， 等． 车载移动测量系统装备研制与应用［J］ 0303．
车载移动测量系统装备研制与应用
明
1， 2 1， 2 镜 ， 向泽君 ， 龙 2， 3 川 ， 吕
Abstract： To realize the fast and efficient acquisition of spatial information，a vehicle mobile mapping system is developed on the basis of integrating sensors such as GNSS， IMU， panoramic camera and LiDAＲ． According to the precision solution of position and orientation，the panoramic image and the laser point cloud are coupled to generate a measurable panorama with true color point cloud． New forms of application are also brought out，such as the aerial view panorama and the browserbased massive point cloud publishing． The successful application of the system during the rapid mobile mapping in the Yuwu Expressway expansion project has proven that the system not only has the advantages of simple installation， rapid acquisition， high efficiency， fruitful results， but also has the measurement accuracy of centimeter level． Key words： vehicle mobile mapping system； coupling of panorama and laser point； measurable panorama； Web publishing of massive point cloud； aerial view panorama
［15 ］
。
（ X， Y， Z ） 为 POS 坐标系下的坐标； Ｒ P 式中， g 为 POS 珔 珔 珔 Yp ， Z 坐标系到 世 界 坐 标 系 的 旋 转 矩 阵； （ X p， p） 为 珔 珔 珔 POS 坐标系原点在世界坐标系下的偏移； （ X ， Y， Z ） 为世界坐标系下的坐标。 合并式（ 1） 和式（ 2） ， 得到扫描仪坐标系到世界 坐标系的转换公式为
图1
系统总线示意图
1．1．3
结构件设计 GNSS、 IMU、 LiDAＲ、 全景相机这几个传感器必
来源于激光 雷达（ 激光扫描仪） 获取的原始点坐标， 雷达设备本身的极坐标。 理论上， 把激光扫描仪设 备坐标系下的坐标转换到世界坐标系下需要进行两 次旋转与平移转换。 第一次转换： 把激光扫描仪坐标系转换到 POS 坐标系（ 平台坐标系） ， 即 X x X 0 L Y = Ｒ y + Y0 P Z z Z0 （ 1）
楠
2， 3
（ 1． 重庆市勘测院， 重庆 401121； 2． 重庆市移动测量工程技术研究中心 ， 重庆 401121； 3． 重庆数字城市科技有限公司， 重庆 401121）
IMU、 摘要： 为实现空间信息的快速及高效获取 ， 在集成 GNSS、 全景相机、 激光雷达等主要传感器的基础上 ， 研制了车载全景激光 耦合式移动测量系统 。根据精密解算的位置姿态信息 ， 对全景影像和激光点云进行了耦合， 生成含有真彩色点云的可量测实景影 像， 提出鸟瞰实景影像 、 基于浏览器的海量点云网络发布等点云应用新形式 。该系统在渝武高速公路扩能改造工程快速移动测量 证明系统不仅安装简便、 采集快速、 处理高效、 成果丰富， 而且具备厘米级的测量精度， 有效提高了空间信息的获取 中的成功应用， 及处理效率。
高速发展的城市建设， 离不开测绘地理信息数 据的支撑。研发车载移动测量系统， 轻松、 快速、 高 精度更高的地理信息数据， 已成 效地获得信息更全、 ［15 ］ 。 ， 为当前测绘装备研究的前沿方向 然而 受限 此类系统在国内 于国外移动测量产品的技术垄断， 的销售价格昂贵。 其次， 这些产品的测量精度目前 还处在分米级， 难以满足大比例尺地形图测绘的需 ［6 ］ 要 。再次， 由于缺乏配套的行业应用软件， 客观 ［78 ］ 。 综合以上 3 个方 上也阻碍了系统的深入应用 从 2009 年开始了移动测量系统的自主研 面的考虑， 发， 经过 6 年的攻关， 成功研制了车载全景激光耦合 式移动 测 量 系 统， 并在多个行业开展了推广应 ［914 ］ 。 用
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2017 年 珔 珔 X x X 0 X P P L YP Y = Ｒ g Ｒ P y + Y0 + 珔 珔 珔 珔 z Z0 Z Z P
2 2 3 3 MING Jing1， ，XIANG Zejun1， ，LONG Chuan2， ，L Nan2，
（ 1． Chongqing Survey Institute，Chongqing 401121，China； 2． Chongqing Engineering Ｒesearch Center of Mobile Mapping，Chongqing 401121，China； 3． Chongqing Cybercity Scitech Co． Ltd． ，Chongqing 401121，China）
图2 硬件系统实物图
第二次转换： 把 POS 坐标系（ 平台坐标系 ） 下的 坐标转换到世界坐标系下， 即 珔 珔 X X X p 珔 珔 Y = ＲP g Y + Yp Z Z 珔 Z 珔 p （ 2）
坐标系中的旋转矩阵与偏移向量。在点云坐标解算 POS 解算后的 3 个角度（ 航向 过程中带入点云坐标、 珔 珔 珔 YP ， Z 角、 俯仰角、 翻滚角） 及 （ X P， P ） 坐标即可把点云 完成点云坐标解算。采用 坐标转换为世界坐标系中， 了基于粒子群算法的系统整体标定， 其精度高、 收敛 算法鲁棒性高， 可一次标定多次使用 速度快， 1．2．4 激光扫描仪的标定
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（ x， y， z） 为激光扫描仪坐标系下的点坐标， 式中， 由 L 设备极坐标系计算； Ｒ P 为激光扫描仪到 POS 坐标 Y0 ， Z0 ） 为 激 光 扫 描 仪 原 点 到 系的旋转矩阵； （ X 0 ， POS 坐标系原点的偏移； （ X ， Y， Z ） 为激光点在 POS 坐标系下的坐标。
0104； 修回日期： 20170316 收稿日期： 2017K8048） ； 重庆市科委科研项目（ cstc2014jcyjA90026） 基金项目： 住房和城乡建设部 2015 年科学技术项目（ 2015mail： eric107@ qq．com 作者简介： 明 镜（ 1982—） ， 男， 博士， 教授级高级工程师，主要研究方向为移动测量、 勘测信息化与三维 GIS。E-
移动 测 量 系 统 集 成 了 全 球 导 航 卫 星 系 统 （ GNSS） 、 惯性测量单元（ IMU） 、 激光雷达 （ LiDAＲ ） 、 全景相机等主要传感器， 是一种多传感器系统， 因 此， 设备选型是系统研发的第一步， 并且对数据成果 的精度和质量至关重要。 本研究中， 综合考虑设备 造价、 技术参数等多种因素， 最终选择 Trimble Ｒ7 作 IMU 选择了国产军工产 为移动站的 GNSS 接收机， LiDAＲ 选型为德国 Sick， 品 POS2011， 全景相机选择 了 Ladybug。 1．1．2 系统总线 系统总线是连接整个系统所有传感器与电子设
1
关键技术
为了获取精密耦合的全景影像和激光点云数 据， 需要通过系统硬件集成， 实现多种传感器的连 接、 通信、 同步及协同工作； 在此基础上， 建立多传感 器原始数据联合解算并转换生成成果数据的数据生 产技术体系； 在数据解算和转换过程中， 必须严格控 制误差， 保证成果数据具有足够高的测量精度 ； 形成 基础成果数据后， 开展基于真彩色点云应用， 创新成 果应用形式。因此， 本系统研发过程主要包含如下 4 项关键技术。
激光雷达的测距通过六段法进行校检， 此处不 。 再赘述 激光雷达的锥扫角对精度影响较大， 通过 图 3 所示的方法进行标定。通过在激光雷达左右两 端相同距离处， 左右移动反射靶标， 找到激光光斑的 左右边缘， 进而得到激光光斑中心， 获得左右两个激 光光斑中心， 测量激光扫描仪中心到激光光斑中心 进而求得锥扫角。 连线的距离，
（ 3）
1．2．2
点云误差分析 首先， 点云原始数据与 POS 数据通过时间进行 耦合， 因此时间同步的精度直接影响点云成果的坐标
这点已经由时间同步器加以保证。然后， 设备 精度， 参数是激光扫描仪设备坐标系相对于平台坐标系的 3 个旋转分类与 3 个位移分类组成， 也是影响精度的 重要方面， 设备参数通过系统标定来获取。最后， 激 ， 光扫描仪的扫描平面并非理想的平面 实际上是一个 扫描圆锥面， 需要通过标定获取其锥扫角； 同时， 激光 扫描仪的测距精度也需要补偿， 需要进行测距校检。 1．2．3 系统整体标定 在系统标定过程中， 通过式（ 3） 对以上的控制点 L Y0 ， Z0 ） ， 求取 ＲP 和（ X0 ， 即激光扫描仪坐标系在 POS
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镜， 等： 车载移动测量系统装备研制与应用
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硬件系统集成 设备选型
备的通信电路与设备的总和。 系统工作时， 利用时 间同步器对所有设备授予统一时间基准 。各传感器 通过系统总线将数据传递到工控机 采集原始数据， 进行汇总。同时， 用户通过平板电脑对系统进行命 令发送， 或实时监控各传感器的运行转态。 各设备 的电源控制通过网络继电器进行控制 。平板电脑通 过无线网络与工控机连接， 实现设备的控制、 参数设 置与实时监控等功能。 系统总线图如图 1 所示， 它 解决了各模块、 各传感器之间的网络互联， 使得整个 系统在统一调度下进行协同工作 。
关键词： 车载移动测量系统； 全景激光耦合； 可量测实景影像； 海量点云网络发布； 鸟瞰实景影像 中图分类号： P24 文献标识码： A 0911（ 2017） 09013606 文章编号： 0494-
Development and Application of Vehicle Mobile Mapping System