車載移動(dòng)測量系統(tǒng)分類及關(guān)鍵技術(shù)探討

摘 要：本文著重介紹了車載移動(dòng)測量系統(tǒng)的分類和關(guān)鍵技術(shù)，并說明了該系統(tǒng)目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域和未來研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：車載 移動(dòng)測量 分類 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0048-02

基于激光掃描儀、CCD相機(jī)、GPS與IMU等傳感器集成的采集系統(tǒng)，目前正逐漸成為三維空間信息獲取的主要手段之一[1]。為了引導(dǎo)和規(guī)范此類活動(dòng)，確保地理信息安全，2012年國家測繪局兩次發(fā)布了《地面移動(dòng)測量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》征求意見函，對行業(yè)發(fā)展發(fā)出明確信號，并對行業(yè)方向進(jìn)行引導(dǎo)，更重要的是，把各種產(chǎn)品形態(tài)與技術(shù)指標(biāo)與作業(yè)限額進(jìn)行匹配[2]。因此，探討車載移動(dòng)測量系統(tǒng)分類發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)分類

車載移動(dòng)測量系統(tǒng)目前硬件主要包括：GPS、慣性導(dǎo)航單元（IMU）、里程計(jì)、激光掃描儀、CCD相機(jī)和時(shí)間同步控制器[3]。其目前常見的移動(dòng)測量系統(tǒng)分為4類，圖1為各移動(dòng)測量系統(tǒng)外觀。

第一類是基于立體攝影測量的方式，通過集成多個(gè)CCD相機(jī)構(gòu)成立體像對通過數(shù)字?jǐn)z影測量的方式來完成室外場景的室內(nèi)重建，但這種方式并不適合地面的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集，因?yàn)殛懙剀囕d系統(tǒng)要采集的數(shù)據(jù)往往是2～400 m范圍內(nèi)的地面空間數(shù)據(jù)，若用攝影測量的方法，深度變化太大（大于90%的等效航高），導(dǎo)致影像自動(dòng)匹配同名點(diǎn)困難，數(shù)據(jù)后處理量大，需要較多的人工交互，目前基于這種方式的國內(nèi)產(chǎn)品主要是武漢大學(xué)開發(fā)的“立得道路測量車”，國外對此方案的報(bào)道主要集中在研究機(jī)構(gòu)論文中，正式產(chǎn)品比較少見。

第二類方案是選擇使用激光掃描儀來獲取目標(biāo)的三維幾何信息，使用面陣或線陣CCD相機(jī)獲取目標(biāo)紋理信息，通過二者的融合來完成三維重建，這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于其獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可直接完成在WGS84坐標(biāo)系下的絕對定位，后處理速度快。但由于激光掃描數(shù)據(jù)是離散采樣值，通稱“點(diǎn)云”，和CCD影像數(shù)據(jù)不一樣，不適合人眼目視解譯，因此，雖然可以進(jìn)行三維瀏覽、量測分析等，但可視化效果不好，不直觀，其所搭配的CCD相機(jī)主要是用于給激光點(diǎn)云賦彩色以及提供三維重建所需的紋理信息，由于CCD相機(jī)主要是用于和激光進(jìn)行匹配，所以往往只能獲取道路兩側(cè)的信息，只要建筑物稍近或者稍高一點(diǎn)，便無法看到它的全貌。目前國外推出的一些產(chǎn)品包括加拿大Optech的LYNX移動(dòng)激光測量車、Applanix公司的LANDMark、英國的StreetMapper360都是采用此一方案。國內(nèi)山東科技大學(xué)、南京師范大學(xué)也采用類似的方案進(jìn)行研究。

第三種方案主要配置和第二種方案一樣，也需要選擇激光、IMU、GPS，但其影像傳感器采用的是視場角不受限制的全景相機(jī)，這種相機(jī)是使用多個(gè)魚眼鏡頭拼接而成，相機(jī)要經(jīng)過嚴(yán)格的幾何標(biāo)定才能完成無縫拼接，拼接后的影像具360度的視場角，在第二種方案中一些受視角影響看不到的高樓都可以一覽無余，經(jīng)過校正的影像可以完成和激光點(diǎn)云的配準(zhǔn)，對影像的量測可以轉(zhuǎn)化為對點(diǎn)云坐標(biāo)的查詢，點(diǎn)云可以完全隱藏在全景影像后面，這樣就實(shí)現(xiàn)了全景影像的漫游與量測。google街景采集車所采用的產(chǎn)品、首都師范大學(xué)此類產(chǎn)品以及拓普康的IP-S2采用這種方案（如圖1）。

第四種方案是一種基于計(jì)算機(jī)視覺進(jìn)行相機(jī)自標(biāo)定的方案，通過全方位相機(jī)拍攝的圖像，對連續(xù)圖像相鄰兩幀進(jìn)行變化檢測，從各點(diǎn)的變化對應(yīng)各幀當(dāng)時(shí)相機(jī)的位置和角度等數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以此來反求拍攝時(shí)相機(jī)的位置和姿態(tài)，這種方式對載體的定位精度30 cm，定姿精度2度左右，這意味著在相機(jī)拍攝距離60 m處其誤差會(huì)接近2 m，這種方案一個(gè)最大的干擾就是要求所拍攝的影像中不能有移動(dòng)目標(biāo)，如果有移動(dòng)目標(biāo)，必須對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行去除才能進(jìn)行解算，所以在實(shí)際應(yīng)用中人工干預(yù)的工作量會(huì)比較大。這種方案最大的優(yōu)勢就是成本比較低，省卻了價(jià)格昂貴的激光與慣導(dǎo)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

車載移動(dòng)測量系統(tǒng)研發(fā)和組成過程中，所涉及關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 系統(tǒng)集成和時(shí)間同步

系統(tǒng)集成包括設(shè)備采購、支架設(shè)計(jì)、電子設(shè)備集成，車速傳感器等。一方面核心器件的選型存在很多不確定因素，同時(shí)數(shù)據(jù)必須嚴(yán)格按照時(shí)間同步，一般采用的方法是使用GPS模塊提供的衛(wèi)星授時(shí)。

2.2 相對坐標(biāo)系標(biāo)定

系統(tǒng)工作時(shí)需要通過GPS和IMU實(shí)時(shí)傳遞掃描線中心的位置和掃描儀的姿態(tài)，這樣就必須確定激光雷達(dá)的中心與GPS天線中心之間的關(guān)系，以及激光雷達(dá)與IMU的姿態(tài)關(guān)系，還有全景攝像機(jī)坐標(biāo)系與IMU之間的姿態(tài)關(guān)系，即標(biāo)定出激光雷達(dá)的外參數(shù)（三個(gè)平移參數(shù)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)以及一個(gè)尺度變換參數(shù)），建立起各自坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

2.3 點(diǎn)云顏色提取

根據(jù)點(diǎn)云的采集時(shí)間，找到最近采集的全景圖像，然后根據(jù)采集全景照片精確時(shí)間，獲得該照片曝光時(shí)刻的POS，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到攝像機(jī)坐標(biāo)系下面。然后計(jì)算UV坐標(biāo)，并可以取得對應(yīng)像素的顏色。

2.4 海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理

如果以每秒10萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集量，每小時(shí)要采集3億6千萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如何快速對海量點(diǎn)云進(jìn)行管理，成為一個(gè)非常困難的問題。采用沿線路進(jìn)行索引的方式，把每一秒采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包存儲(chǔ)，建立空間與時(shí)間兩個(gè)維度的關(guān)聯(lián)，來簡化對對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)訪問效率。

2.5 海量點(diǎn)云的坐標(biāo)高性能解算

在進(jìn)行點(diǎn)云的絕對坐標(biāo)解算的過程中，如果使用傳統(tǒng)的技術(shù)方法，會(huì)耗用很長時(shí)間。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)解算具備良好的并行技術(shù)特性：數(shù)據(jù)獨(dú)立，技術(shù)方法相同，無依賴關(guān)系。因此使用并行技術(shù)可以大幅提高點(diǎn)云坐標(biāo)解算的速度。

3 結(jié)語

車載移動(dòng)測量系統(tǒng)有著廣闊應(yīng)用前景，如公路高精度高程測量、大比例尺地圖快速修補(bǔ)測、城市部件測量、城市三維建模、道路設(shè)施普查等[4]。從實(shí)際出發(fā)，車載移動(dòng)測量系統(tǒng)更適合應(yīng)用于帶狀目標(biāo)，并且同時(shí)獲得雷達(dá)和全景影像數(shù)據(jù)，為城市檔案記錄增添數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)評估提供直觀依據(jù)。下一步，研究重點(diǎn)應(yīng)該放在專題數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用快速、一體化方面。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘若飛，宮輝力，趙文吉，等.車載三維激光移動(dòng)建模與測量系統(tǒng)研制的進(jìn)展[C].中國地理學(xué)會(huì)百年慶典學(xué)術(shù)論文摘要集，2009.

[2]關(guān)于征求《地面移動(dòng)測量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》意見的函[Z].2012-3-9.

[3]呂冰，鐘若飛，王嘉楠.車載移動(dòng)激光掃描測量產(chǎn)品綜述[J].測繪與空間地理信息，2012，35（6）：185-187.

[4]劉先林.SSW車載移動(dòng)測量系統(tǒng)及其應(yīng)用[R].中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告，2011.