车载激光测绘系统技术分析与研究

车载激光测绘系统技术分析与研究

摘要：论述了车载激光测绘系统的国内外发展现状、技术原理、数据处理及特点等相关理论，提出了车载激光测绘系统在目前实际应用中存在的问题，并展望了车载激光测绘系统的技术发展方向。

关键词：车载激光测绘系统；技术原理与数据处理；技术分析；

1 引言

20世纪80年代末，激光测绘技术在多等级三维地球空间信息的实时获取方面取得了重大突破，数据的获取方式逐步由人工单点获取，朝着连续自动获取的方向发展，使数据处理的自动化、智能化成为可能。激光测绘技术直接获取高精度三维数据，与传统测量技术相比具有明显的优越性，可广泛应用于三维空间数据的采集与更新。由于实际场景的多样性和复杂性，各种采集目标地物的激光扫描测量系统相继问世，根据传感器搭载平台的不同可分为星载、机载、地面激光扫描测量系统。由于采用星载或者机载传感器来采集地面目标物体的三维数据造价相对较高且仅能够采集到城市等建筑物密集区域目标物体的顶面信息，对于近景三维目标的信息采集受到限制，因此车载激光扫描系统的研究成为热点。车载激光测绘依托于我国稠密的公路网，能够覆盖绝大多数测绘区域，作业灵活，使用资源很少，具备低成本、高效率、快速测量等特点，对我国数字化城市建设以及军事测绘等测绘工程提供了有力的技术支持。

2 国内外发展现状

目前，国外已推出的一些产品，如加拿大Optech公司的L YNX 移动激光测量车、美国Applanix公司的LandMark、英国3D Laser Mapping 公司的StreetMapper 360、美国MDL公司的Dynascan、日本TOPCON公司的IP－S2、诺基亚所属公司NA VTEQ的激光采集车、德国SITECO公司所生产的Road Scanner以及Google 使用的街景采集车。国内武汉大学、山东科技大学、南京师范大学、华东师范大学、北京首都师范大学也进行了相关研究并推出类似产品。这些产品的集成原理都是相似的，不同之处主要是面向的市场需求不同，所采用传感器的类型和技术指标也不同。

目前市场上存在的车载移动激光扫描系统供应商主要有TOPCON ，

TRIMBLE ，OPTECH ，RIEGL ，MDL 和SITECO 等。

图1 L YNX 移动激光测量车

图2 美国MDL 公司的Dynascan

图3 StreetMapper 360

图4 日本TOPCON 公司的IP－S2

3 技术原理与关键技术

车载激光扫描系统是在垂直于行驶方向做二维扫描，以汽车行驶方向作为运动维，构成三维扫描系统，其所获得的数据是由全离散的矢量距离点构成的“点云”，每一个像素所包含的是一个距离值和一个角度值。

就数据获取方式而言，车载激光扫描更像大地测量系统，通过测边、测角进行定位; 就数据后处理方式而言却更像摄影测量系统，使用共线方程的方法，由位置姿态（POS）系统获取车载GPS天线相位中心坐标与惯性导航系统（IMU）获取的翻滚、俯仰和偏航等数据联合处理，得到影像的六个外方位元素，利用其进行摄影过程的几何反转，实现车载激光扫描系统直接对目标定位。

3.1 系统构成

移动激光测量技术是目前世界上较为先进的一种测绘手段，其系统构成为: 用于导航定位的航向或距离传感器( 如GPS、惯性导航系统( IMU) 、里程计等) 和用于扫描或摄影成像的传感器( 如线/面阵CCD、激光扫描仪等) 以及汽车承载工具。

其中三维激光扫描仪使用激光测距——机械扫描工作体制。载车为激光测绘系统的移动工作平台，提供各测量设备的安装平面及电力供应；三维激光扫描仪是测绘数据获取的关键传感器，对探测区域目标进行测量；CCD相机作为影像传感器，提供激光扫描仪探测区域目标的属性信息；卫星定位系统、惯性导航系

统提供载车的位置信息和姿态信息，为激光扫描仪的测量数据在全球坐标系中定位提供必要的信息，综合信息处理系统完成多传感器的数据处理与融合，最终生成测绘信息。

图5 车载测绘系统构成图

3.2 系统工作过程

首先，利用GPS 对载车进行定位，获得准确的测量原点大地坐标。再利用GPS 和IMU 对载车测绘基准的姿态进行测量，得到大地坐标系下三维激光扫描仪的高低角、偏航角以及滚动角。然后，利用三维激光扫描仪对测绘点进行逐点测量，得到测绘点相对于测绘基准的方位角、高低角以及距离。通过坐标换算得到测绘点的大地坐标。目标的属性等信息通过CCD相机同步采集的照片进行辨识。最后，生成测绘产品输出。

3.3 系统测量原理

图6 测量原理图

图中，M 为被测量点， 坐标设为（X,Y,Z ）。X GPS 、Y GPS 、Z GPS 为载车坐标，由GPS 提供。当测量目标时，三维激光扫描仪与大地坐标轴夹角由IMU 和GPS 测得，分别得到姿态角度θyaw 、θpitch 、θroll ， 目标相对激光雷达坐标系统的坐标为（X laser ，Y laser ，Z laser ），可以由激光扫描仪测得的目标距离和目标视线角度计算得到。

目标点的位置算法如下：

123456789laser GPS laser GPS laser GPS X a a a X X Y a a a Y Y Z a a a Z Z ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪=⨯+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭

式中：

12345678cos cos sin sin sin cos cos sin sin cos sin sin cos cos cos sin cos sin sin sin sin si yaw roll pitch roll

yaw roll yaw pitch roll

pitch roll

yaw pitch

yaw pitch

pitch

yaw roll yaw pitch roll

a a a a a a a a θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθ=+=-==-===-+=-9n sin cos sin cos cos cos yaw roll yaw pitch roll

pitch roll a θθθθθθθ-=

设目标相对于激光扫描仪视线角度分别为A （水平角）、E （高低角），目标距离为R ，则：

sin cos sin sin cos laser laser laser X R E A

Y R E A Z R E

===

3.4 关键技术

○

1高速度、高分辨率激光扫描技术 激光扫描是依据数据采样密度和空间分布要求，通过机械和光学扫描的方式将激光测量光束按采样要求精确投射到测量表面的过程。

高密度快速精确采样测量是车载三维激光扫描测量的重要特征，而高精度、高速度、高分辨率激光扫描技术是实现高密度精确采样测量的基础。为了实现高密度快速采样，首先要求激光点频高，通常需要10 kHz 以上的激光点频率，某