車載移動測量系統(tǒng)裝備研制與應(yīng)用

明 鏡，向澤君，龍 川，呂 楠

(1. 重慶市勘測院，重慶 401121； 2. 重慶市移動測量工程技術(shù)研究中心，重慶 401121； 3. 重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 401121)

車載移動測量系統(tǒng)裝備研制與應(yīng)用

明 鏡1,2，向澤君1,2，龍 川2,3，呂 楠2,3

(1. 重慶市勘測院，重慶 401121； 2. 重慶市移動測量工程技術(shù)研究中心，重慶 401121； 3. 重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 401121)

為實(shí)現(xiàn)空間信息的快速及高效獲取，在集成GNSS、IMU、全景相機(jī)、激光雷達(dá)等主要傳感器的基礎(chǔ)上，研制了車載全景激光耦合式移動測量系統(tǒng)。根據(jù)精密解算的位置姿態(tài)信息，對全景影像和激光點(diǎn)云進(jìn)行了耦合，生成含有真彩色點(diǎn)云的可量測實(shí)景影像，提出鳥瞰實(shí)景影像、基于瀏覽器的海量點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等點(diǎn)云應(yīng)用新形式。該系統(tǒng)在渝武高速公路擴(kuò)能改造工程快速移動測量中的成功應(yīng)用，證明系統(tǒng)不僅安裝簡便、采集快速、處理高效、成果豐富，而且具備厘米級的測量精度，有效提高了空間信息的獲取及處理效率。

車載移動測量系統(tǒng)；全景激光耦合；可量測實(shí)景影像；海量點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；鳥瞰實(shí)景影像

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 browser-based 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.

Keywords： vehicle mobile mapping system; coupling of panorama and laser point; measurable panorama; Web publishing of massive point cloud; aerial view panorama

高速發(fā)展的城市建設(shè)，離不開測繪地理信息數(shù)據(jù)的支撐。研發(fā)車載移動測量系統(tǒng)，輕松、快速、高效地獲得信息更全、精度更高的地理信息數(shù)據(jù)，已成為當(dāng)前測繪裝備研究的前沿方向[1-5]。然而，受限于國外移動測量產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，此類系統(tǒng)在國內(nèi)的銷售價格昂貴。其次，這些產(chǎn)品的測量精度目前還處在分米級，難以滿足大比例尺地形圖測繪的需要[6]。再次，由于缺乏配套的行業(yè)應(yīng)用軟件，客觀上也阻礙了系統(tǒng)的深入應(yīng)用[7-8]。綜合以上3個方面的考慮，從2009年開始了移動測量系統(tǒng)的自主研發(fā)，經(jīng)過6年的攻關(guān)，成功研制了車載全景激光耦合式移動測量系統(tǒng)，并在多個行業(yè)開展了推廣應(yīng)用[9-14]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

為了獲取精密耦合的全景影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過系統(tǒng)硬件集成，實(shí)現(xiàn)多種傳感器的連接、通信、同步及協(xié)同工作；在此基礎(chǔ)上，建立多傳感器原始數(shù)據(jù)聯(lián)合解算并轉(zhuǎn)換生成成果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)體系；在數(shù)據(jù)解算和轉(zhuǎn)換過程中，必須嚴(yán)格控制誤差，保證成果數(shù)據(jù)具有足夠高的測量精度；形成基礎(chǔ)成果數(shù)據(jù)后，開展基于真彩色點(diǎn)云應(yīng)用，創(chuàng)新成果應(yīng)用形式。因此，本系統(tǒng)研發(fā)過程主要包含如下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 硬件系統(tǒng)集成

1.1.1 設(shè)備選型

移動測量系統(tǒng)集成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、慣性測量單元(IMU)、激光雷達(dá)(LiDAR)、全景相機(jī)等主要傳感器，是一種多傳感器系統(tǒng)，因此，設(shè)備選型是系統(tǒng)研發(fā)的第一步，并且對數(shù)據(jù)成果的精度和質(zhì)量至關(guān)重要。本研究中，綜合考慮設(shè)備造價、技術(shù)參數(shù)等多種因素，最終選擇Trimble R7作為移動站的GNSS接收機(jī)，IMU選擇了國產(chǎn)軍工產(chǎn)品POS2011，LiDAR選型為德國Sick，全景相機(jī)選擇了Ladybug。

1.1.2 系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是連接整個系統(tǒng)所有傳感器與電子設(shè)備的通信電路與設(shè)備的總和。系統(tǒng)工作時，利用時間同步器對所有設(shè)備授予統(tǒng)一時間基準(zhǔn)。各傳感器采集原始數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)總線將數(shù)據(jù)傳遞到工控機(jī)進(jìn)行匯總。同時，用戶通過平板電腦對系統(tǒng)進(jìn)行命令發(fā)送，或?qū)崟r監(jiān)控各傳感器的運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài)。各設(shè)備的電源控制通過網(wǎng)絡(luò)繼電器進(jìn)行控制。平板電腦通過無線網(wǎng)絡(luò)與工控機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制、參數(shù)設(shè)置與實(shí)時監(jiān)控等功能。系統(tǒng)總線圖如圖1所示，它解決了各模塊、各傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得整個系統(tǒng)在統(tǒng)一調(diào)度下進(jìn)行協(xié)同工作。

圖1 系統(tǒng)總線示意圖

1.1.3 結(jié)構(gòu)件設(shè)計

GNSS、IMU、LiDAR、全景相機(jī)這幾個傳感器必須安裝在一個剛性平臺上，才能夠保證設(shè)備在整體移動過程中不出現(xiàn)傳感器之間的相對位移，從而保證數(shù)據(jù)精度。本項(xiàng)目采用了自主專利設(shè)計的結(jié)構(gòu)件設(shè)計，硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)精度提升

1.2.1 理論模型

整個系統(tǒng)的測量基礎(chǔ)是要生成帶世界坐標(biāo)的點(diǎn)云，需要將每個激光點(diǎn)賦予正確的世界坐標(biāo)。激光雷達(dá)(激光掃描儀)獲取的原始點(diǎn)坐標(biāo)，來源于激光雷達(dá)設(shè)備本身的極坐標(biāo)。理論上，把激光掃描儀設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下需要進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn)與平移轉(zhuǎn)換。

第一次轉(zhuǎn)換：把激光掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到POS坐標(biāo)系(平臺坐標(biāo)系)，即

(1)

圖2 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

第二次轉(zhuǎn)換：把POS坐標(biāo)系(平臺坐標(biāo)系)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系下，即

(2)

合并式(1)和式(2)，得到掃描儀坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為

(3)

1.2.2 點(diǎn)云誤差分析

首先，點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)通過時間進(jìn)行耦合，因此時間同步的精度直接影響點(diǎn)云成果的坐標(biāo)精度，這點(diǎn)已經(jīng)由時間同步器加以保證。然后，設(shè)備參數(shù)是激光掃描儀設(shè)備坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的3個旋轉(zhuǎn)分類與3個位移分類組成，也是影響精度的重要方面，設(shè)備參數(shù)通過系統(tǒng)標(biāo)定來獲取。最后，激光掃描儀的掃描平面并非理想的平面，實(shí)際上是一個掃描圓錐面，需要通過標(biāo)定獲取其錐掃角；同時，激光掃描儀的測距精度也需要補(bǔ)償，需要進(jìn)行測距校檢。

1.2.3 系統(tǒng)整體標(biāo)定

1.2.4 激光掃描儀的標(biāo)定

激光雷達(dá)的測距通過六段法進(jìn)行校檢，此處不再贅述。激光雷達(dá)的錐掃角對精度影響較大，通過圖3所示的方法進(jìn)行標(biāo)定。通過在激光雷達(dá)左右兩端相同距離處，左右移動反射靶標(biāo)，找到激光光斑的左右邊緣，進(jìn)而得到激光光斑中心，獲得左右兩個激光光斑中心，測量激光掃描儀中心到激光光斑中心連線的距離，進(jìn)而求得錐掃角。

圖3 激光雷達(dá)錐掃角標(biāo)定示意圖

1.3 全景與點(diǎn)云耦合生成

全景影像和激光點(diǎn)云是分別獲取的，為了更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用，需將兩者進(jìn)行精密匹配融合，在耦合的基礎(chǔ)上生產(chǎn)真彩色點(diǎn)云。本文提出的全景與點(diǎn)云耦合生成技術(shù)如圖4所示，主要包含4個步驟：

(1) POS解算。在POS解算軟件中，輸入基站和移動站的RINEX文件，進(jìn)行差分處理，得到車輛行進(jìn)的軌跡數(shù)據(jù)。然后導(dǎo)入IMU與里程計數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡爾曼濾波，進(jìn)而獲得POS數(shù)據(jù)。

(2) 把點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)、設(shè)備標(biāo)定參數(shù)與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過原始點(diǎn)云的時間標(biāo)記查找該點(diǎn)的POS數(shù)據(jù)，然后根據(jù)理論公式計算該點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

(3) 通過全景影像拼接、顏色后處理后得到全景圖片數(shù)據(jù)。同時根據(jù)全景相機(jī)的設(shè)備參數(shù)和該幀圖像的采集時間與POS進(jìn)行融合，計算該幀全景的POS信息，最終得到帶POS的全景影像。

(4) 把全景數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，其原理就是把點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全景坐標(biāo)系中，進(jìn)而獲取該點(diǎn)相對于的全景圖片中的像素坐標(biāo)，取得點(diǎn)的RGB值，生成真彩色點(diǎn)云。

圖4 全景與點(diǎn)云耦合生成流程

1.4 全景點(diǎn)云應(yīng)用

圖5是對全景點(diǎn)云兩種成果深入應(yīng)用的技術(shù)體系圖。通過點(diǎn)云柵格化技術(shù)，對真彩色點(diǎn)云進(jìn)行過濾、投影、柵格化等步驟，可以獲得各種全新的數(shù)據(jù)形式。這些柵格數(shù)據(jù)形式把海量點(diǎn)云柵格化，便于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的點(diǎn)云發(fā)布及應(yīng)用。同時，對點(diǎn)云進(jìn)行分類與要素化，可自動獲得行道樹、路沿、路面標(biāo)志線、路燈、電桿等要素。另外，將點(diǎn)云直接用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，可部分替代三維建模。將點(diǎn)云與全景結(jié)合，可發(fā)布基于景深圖的可量測全景影像。

1.4.1 基于景深圖的可量測實(shí)景影像

全景影像又稱為街景或街景影像，目前，騰訊街景、百度街景提供的街景服務(wù)已被廣泛認(rèn)可。根據(jù)全景圖片中心坐標(biāo)查找相應(yīng)范圍內(nèi)的激光點(diǎn)云，按照球面投影的要求投影到全景影像中，并計算出全景中心點(diǎn)到各點(diǎn)云的距離，給全景影像中像素點(diǎn)的值賦上距離值即景深信息，從而獲得全景景深圖。結(jié)合景深圖和獲取的全景影像，可生產(chǎn)高測量精度的可量測實(shí)景影像，支持長度、角度、距離、面積等空間度量值的實(shí)時計算，如圖6所示。

圖5 成果數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)體系

1.4.2 基于點(diǎn)云的鳥瞰實(shí)景影像數(shù)據(jù)

普通街景視點(diǎn)的高度只有2 m左右，本文提出使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行球面投影的方法，可生成任意高度視點(diǎn)的全景圖像。這種數(shù)據(jù)成果形式，彌補(bǔ)了街景影像視點(diǎn)固定的不足，并且把海量點(diǎn)云柵格化為圖片文件，便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，如圖7所示。

圖6 可量測全景影像

圖7 鳥瞰全景影像

1.4.3 基于瀏覽器的海量點(diǎn)云發(fā)布

利用本移動測量系統(tǒng)，可快速生產(chǎn)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，如何通過網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布海量點(diǎn)云，使用者如何快速瀏覽點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此類關(guān)于海量點(diǎn)云的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是一個行業(yè)難題。本文對點(diǎn)云進(jìn)行多層級索引建立，將海量點(diǎn)云進(jìn)行分塊及八叉樹分割，最終將海量點(diǎn)云按空間索引分割形成小文件。依托HTML5的WebGL技術(shù)，在網(wǎng)頁瀏覽器中快速下載含有LOD的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用顯卡加速，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)條件下的海量點(diǎn)快速云發(fā)布及三維可視化，如圖8所示。

圖8 基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的海量點(diǎn)云可視化

2 應(yīng)用案例

本文移動測量系統(tǒng)具有采集快速、成果形式豐富、測量精度高的特點(diǎn)，在道路測圖中具有明顯的優(yōu)勢。特別是在道路改擴(kuò)建補(bǔ)充測量項(xiàng)目中，道路車流量大、車速快，采用傳統(tǒng)測繪方式，具有極大的安全風(fēng)險，如果采用移動測量系統(tǒng)，即可在不阻斷交通的前提下進(jìn)行安全、快速的外業(yè)數(shù)據(jù)采集。因此，將本文移動測量系統(tǒng)應(yīng)用于重慶渝武高速公路擴(kuò)能改造工程快速移動測量項(xiàng)目中。

2.1 項(xiàng)目概況

渝武高速公路擴(kuò)能改造工程全長10 km，雙向4車道，設(shè)計時速80 km。該工程位于運(yùn)營飽和的道路上，線路長、車流大、車速快，測量安全隱患較大；同時，設(shè)計要求測量精度高、工期短，需在不中斷交通的前提下安全施工，快速、及時提供高質(zhì)量和高精度的成果資料，項(xiàng)目難度較大。

2.2 實(shí)施概況

2.2.1 快速數(shù)據(jù)獲取

硬件系統(tǒng)安裝在采集車輛上，以30～60 km/h的速度采集道路周邊的現(xiàn)勢數(shù)據(jù)。采集工作外業(yè)持續(xù)2 h，內(nèi)業(yè)處理2 h，較傳統(tǒng)作業(yè)方式效率提升10倍。同時，車載全過程的自動化，將測量作業(yè)人員從較危險的工作環(huán)境中解脫出來。

2.2.2 生產(chǎn)成果數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)成果與內(nèi)容豐富，宏觀與微觀信息并存。本項(xiàng)目形成的主要成果包括線路帶狀地形圖、縱橫斷面圖、橋涵工點(diǎn)圖、跨越地鐵隧道圖、實(shí)景三維，更重要的是還包括全線激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。帶狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)以三維的形式給人整體宏觀的視覺感受，海量的點(diǎn)云與實(shí)景影像直觀展示微地形與微地貌，信息量大。基于點(diǎn)云和影像，獲得了可量測實(shí)景影像數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)一步生成了道路兩邊的1∶500地形圖及縱橫斷面圖。部分成果展現(xiàn)新形式如圖9和圖10所示。

圖9 真彩色點(diǎn)云成果

圖10 點(diǎn)云正投影影像

2.2.3 實(shí)景快速量測

在實(shí)景中進(jìn)行測量是本項(xiàng)目的一大特點(diǎn)，可量測實(shí)景影像以海量的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依托，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的與全景影像匹配的景深圖作為測量的基礎(chǔ)，為實(shí)景提供像素級別的景深信息，兩者疊加完成測量功能，實(shí)現(xiàn)地面相對高智能測量、點(diǎn)線面的測量、立面矩形標(biāo)繪、模型放置等特色功能。圖11為基于可量測實(shí)景影像的隧道拱高快速測量。

圖11 隧道拱高快速測量

2.3 取得成效

本案例完成了項(xiàng)目設(shè)計內(nèi)容及應(yīng)用需求，形成的各種成果資料精度高、完整美觀，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，贏得了業(yè)主好評，取得了顯著的效益。項(xiàng)目實(shí)施過程中加強(qiáng)了對自然環(huán)境的保護(hù)，先進(jìn)的技術(shù)手段和作業(yè)模式無需阻斷交通，避免了對公眾出行的影響，做到了安全文明生產(chǎn)，為社會和諧、百姓滿意創(chuàng)造了條件。將本文移動測量系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際工程中，將傳統(tǒng)測繪的生產(chǎn)效率提升數(shù)倍，大大減少了人力投入及項(xiàng)目工期，具有很好的推廣價值。

3 總結(jié)與展望

本項(xiàng)目研究了車載全景激光耦合式移動測量系統(tǒng)軟硬件研制的關(guān)鍵技術(shù)，具備了系統(tǒng)整體集成及研發(fā)能力。本文研發(fā)的移動測量系統(tǒng)，經(jīng)國家光電測距儀檢測中心評測，表明其具備了厘米級的測量精度；同時，系統(tǒng)還具有安裝簡便、采集快速、處理高效、成果豐富的特點(diǎn)，配備的軟件系統(tǒng)，也提供了可量測實(shí)景影像、基于真彩色點(diǎn)云的鳥瞰全景影像、2.5維傾斜投影影像等特有的成果形式，支持基于網(wǎng)頁瀏覽器的海量點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在市政設(shè)施普查、高速路資產(chǎn)調(diào)查、高速路改擴(kuò)建、街景數(shù)據(jù)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)的成功研制，也進(jìn)一步推動了中國民族品牌測繪裝備的發(fā)展。

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DevelopmentandApplicationofVehicleMobileMappingSystem

MING Jing1,2, XIANG Zejun1,2, LONG Chuan2,3, Lü Nan2,3

(1. Chongqing Survey Institute, Chongqing 401121, China; 2. Chongqing Engineering Research Center of Mobile Mapping, Chongqing 401121, China; 3. Chongqing Cybercity Sci-tech Co. Ltd., Chongqing 401121, China)

P24

A

0494-0911(2017)09-0136-06

2017-01-04；

2017-03-16

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2015年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2015-K8-048)；重慶市科委科研項(xiàng)目(cstc2014jcyjA90026)

明 鏡(1982—)，男，博士，教授級高級工程師, 主要研究方向?yàn)橐苿訙y量、勘測信息化與三維GIS。E-mail: eric107@qq.com

明鏡，向澤君，龍川，等.車載移動測量系統(tǒng)裝備研制與應(yīng)用[J].測繪通報，2017(9)：136-141.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0303.