三维激光扫描与多传感器集成移动测绘技术与应用课件

1、三维激光扫描与多传感器集成移动测绘技术与应用示范 第1页，共117页。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第2页，共117页。航空、无人飞行器数据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：立体化监测需求第3页，共117页。 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

2、视环视 航空摄影外业控制空三加密内业成图移动激光地表第4页，共117页。 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。zyxGPS天线2D激光测距仪CCD相机IMU第5页，共117页。 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、实体化基于激光的移动测量可克服基于近景摄影测量下述缺点：被动测量间接测量主动测量直接测量 一、技术与应用背景：激光测量与摄影测量区别第6页，共117页。 一、技术与应用背景：部分国外产品 加拿大Optech产品 日本TOPCON产品 A

3、pplanix产品 英国MDL产品 国外产品自2010年在国内销售第7页，共117页。 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）第8页，共117页。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：系统售价昂贵原因第9页，共117页。一、技术与应用背景：实际应用对产品的需求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信号缺失问题第10页，共117页

4、。第11页，共117页。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第12页，共117页。硬件选型与集成时间同步 二、主要关键技术 空间检校第13页，共117页。 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 多传感器第14页，共117页。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GNSS 天线360激光扫描仪电子转台 2.1 硬件集成第15页，共117页。 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

5、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以内第16页，共117页。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

6、光斑大小为： 0.3/1000 * 100 = 0.03米 也即3cm 第17页，共117页。2.1.1 激光的选型Velodyne测距精度 2cm第18页，共117页。2.1.1 激光的选型ibeo LUX第19页，共117页。 2.1.1 激光的选型Riegl VUX-1第20页，共117页。2.1.1 激光的选型FARO X330第21页，共117页。第22页，共117页。 2.1.1 激光的选型 Riegl VZ系列第23页，共117页。 位置姿态系统（Position and Orientation System, POS）（测绘） 惯性导航技术( INS, Inertial Nav

7、igation 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。 2.1.2 硬件集成惯导的选型第24页，共1

8、17页。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厘米第25页，共117页。 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。2.1.2 硬

9、件集成选择惯导的理由（2）第26页，共117页。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第27页，共117页。2.1.2 硬件集成选择什么样的惯导（1）评价IMU的指标 零偏稳定性、重复性评价SINS的指标 初始对准精度、姿态航向保持精度评价POS的指标 定位精度、姿态精度车载测图系

10、统需要什么样惯导才能满足其对姿态精度的要求呢？ 第28页，共117页。 这是个大概推算值，假定激光扫描仪的测角精度为0.1个毫弧度，在100米外点位精度要达到1cm的话，我们也需要选择姿态精度为0. 1个毫弧度，即组合后的姿态精度为0.005度这个等级的惯导器件 需要什么样的惯导来满足其对姿态精度的要求？2.1.2 硬件集成选择什么样的惯导（2）第29页，共117页。 多传感器数据融合处理的前提是所有的传感器是在同一时刻获取的数据；由于它们安装在同一载体上，所以同一时刻获取的数据也保证了它们获取的是同一位置的数据。2.2 时间同步基于GPS的时间基准第30页，共117页。由于数据采集频率不同，

11、在对数据融合时，需要以时间为标志，对数据进行内插处理和数据匹配，结合传感器检定信息，分别求得每一扫描及拍照时刻传感器的运动位置与姿态参数 。2.2 时间同步数据采集频率内插第31页，共117页。2.2 时间同步的难点如何保证高精确性？计算机的时间不精确，统一到GPS的授时时间对于一些黑匣子的进口设备，如何确保得到的是真正获取数据的时间，而不是获取保存的时间。比如IMU，给它发一个开始的指令，这个时候的时间是不是就是数据获取开始的时间，还是有一个延迟？假如不了解设备的原理，就很难知道其真正开始的时间。第32页，共117页。2.2 无PPS输入设备的时间同步方案第33页，共117页。2.2 有PP

12、S输入设备的时间同步方案IMU单元GPS单元激光L单元相机C单元PPS+SIOPPS+SIO外触发脉冲第34页，共117页。时间同步准确时间同步误差0.5s2.2 时间同步误差前后对比第35页，共117页。 如何将每个传感器独立坐标系下获取的数据转换到共同的坐标基准之中WGS84坐标系； 单个传感器的独立检校； 集成传感器的总体检校-激光与POS之间的六个外方位元素。2.3 系统空间同步 第36页，共117页。LIDAR的单项检校 激光的测距误差，包括反射点性质对距离的影响，加常数、乘常数； 由于码盘偏心引起的测角误差；2.3.1 系统空间同步 第37页，共117页。2.3.1 系统空间同步激

13、光检校识别标志 第38页，共117页。2.3.1 系统空间同步强度对距离的改正 第39页，共117页。加常数：-1.367m，乘常数：-0.000165中误差：0.0037m2.3.1 系统空间同步强度对距离的改正 第40页，共117页。1.测角系统零位测定。主要是由机械制作零位与计数器零位存在偏差引起的。2.测角跟踪误差 主要是码盘偏心误差引起的。OO1光栅环读数头2.3.1 系统空间同步测角误差 第41页，共117页。2.3.1 系统空间同步测角误差 把激光垂直放在转台上，使激光扫描平面水平并使激光旋转中心与转台中心重合。开始扫描后，移动活动靶标并找到其实时云图，读取其角度，旋转转台后角度

14、也跟着改变，这就可以测出激光角度的跟踪误差。第42页，共117页。2.3.1 系统空间同步测角误差修正 关系曲线：第43页，共117页。IMU的单项检校 初始对准姿态角、跟踪姿态角、保持姿态角测试2.3.2 系统空间同步IMU的集成测试第44页，共117页。2.3.2 系统空间同步多个IMU叠加测试第45页，共117页。2.3.3 系统空间同步激光与全景配准第46页，共117页。2.3.3 系统空间同步激光与面阵相机配准第47页，共117页。2.3.3 系统空间同步激光与线阵相机配准前进方向线阵相机安装面OX(东方向E) Y(北方向N) Z(h)激光XLYLZLOLLLLXCYCZCOCCCC

15、激光L相机C第48页，共117页。2.3.4 系统空间同步激光与POS的检校激光与IMU之间的安装角度及偏心矢量。激光IMUOX(东方向E) Y(北方向N) Z(h)前进方向激光LPOSXLYLZLOLLLLXPYPZPOPPPP第49页，共117页。翻滚角（roll）误差会造成测距值的不准确，影响坐标在激光扫描方向和高程的偏差，如果受到翻滚角误差的影响，使测距值偏大，会使记录值位于真实地面之下。俯仰角（pitch）误差同样会造成测距值的不准确，影响坐标在车行驶方向和高程的偏差，如果受到俯仰角影响，使测距值偏大，也会使记录值位于真实地面之下。航向角（yaw）误差也是通过影响测距值来影响坐标在车

16、行方向和激光扫描方向的水平误差，且此误差会使每一条扫描线扭曲。2.3.4 系统空间同步安置角误差影响第50页，共117页。2.3.4 系统空间同步安置角检校方式两种检校方式需要一定数量控制点真 值假设安置参数未知平差原理缩小真值与测 量值的差异迭代修正安置角参数最小二乘法的安置误差检校工具同一区域重复扫描数 据通过条带间不重合调 整安置参数需要检校参数近似值 重复扫描数据动态检校工具 第51页，共117页。综合检校场检校场云图检校前控制点映射点云图检校后的控制点映射点云图2.3.4 系统空间同步控制场检校方法第52页，共117页。控制点点位偏移检校前控制点同时求解安置参数检校后2.3.4 系统

17、空间同步控制场检校方法第53页，共117页。2.3.4 系统空间同步重复轨迹检校方法第54页，共117页。2.3.5 系统空间同步全站仪验证第55页，共117页。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第56页，共117页。机载车载一体化 三、多功能一体化集成系统室内室外一体化地面和车载一体化水上水下一体化地上地下一体化第57页，共117页。 3.1、地面定点和车载移动一体化集成系统第58页，共117页。2013年11月30日，在广州通过以中国科学院童庆禧院士为组长、东京大学陈天恩教授为副组长的项目鉴定委员会的鉴定第59页，共117页。

18、设备采用导轨抽拉式，安装简便第60页，共117页。设备体积较小，相机高度可伸缩第61页，共117页。可基于POS的定点转扫与车行扫描结合 转扫时不用人工迁站，人工拼站，可以直接得到WGS-84 坐标的点云，还可以解决部分不能行车的地段的点云采集。第62页，共117页。与全站仪结合进行转扫可解决隧道等失锁环境的测量问题GPS失锁情况下，位置信息误差很大，而IMU依然能够获取高精度姿态，此时，用全站仪观测设备顶部的360棱镜，获取设备当前位置信息，从而保证失锁区域精度已知点GPS失锁第63页，共117页。地下停车场多站数据拼接第64页，共117页。测量距离远，VZ1000可到1000多米在高速公路

19、改扩建项目中，往往需要的车道两侧近200-300米范围的数据；在海、湖、河岸带，船不能靠岸太近，需要远距离移动激光测量第65页，共117页。来回交叉扫描，解决数据覆盖问题第66页，共117页。水平摆扫，可直接覆盖路面第67页，共117页。 3.2、车载与机载移动一体化集成系统第68页，共117页。 3.2、车载与机载移动一体化集成系统第69页，共117页。 基于多旋翼无人机的激光雷达测量系统多旋翼无人机飞行器具有自动悬停，按规划路径进行自主飞行等特点。但旋翼机能载荷有限，一般不超过10公斤，现有有人机载设备存在售价昂贵、设备笨重、飞行手续繁琐、飞行成本较高、风险较大。因此，研制一款能搭载在多旋

20、翼无人机上的激光雷达，用于小范围地形的快速获取，具有相当广阔的市场前景。Ibeo是我们最新集成的迷你型激光雷达，配置有超小型激光扫描仪、GPS、惯性导航系统、系统控制仪及数据自动采集软件。整体设计约6.5公斤重，小巧轻便，适合挂载于多旋翼电动无人机上。第70页，共117页。 基于多旋翼无人机的激光雷达测量系统第71页，共117页。 基于无人直升机的激光雷达测量系统VZ1000第72页，共117页。 基于无人直升机的激光雷达测量系统 VZ1000第73页，共117页。 VUX-1的机载车载一体化第74页，共117页。一体化结构设计方案，同时满足车载、机载第75页，共117页。 VUX-1的机载车

21、载一体化车载状态第76页，共117页。 VUX-1的机载车载一体化机载状态第77页，共117页。 VUX-1的机载车载一体化机载状态第78页，共117页。 系统减重设计第79页，共117页。 VUX-1的机载车载一体化第80页，共117页。 VUX-1的机载车载一体化第81页，共117页。 VUX-1厂家飞行照片第82页，共117页。 VUX-1厂家点云数据第83页，共117页。MDL机载车载一体化产品第84页，共117页。 3.3 水上水下测量一体化产品第85页，共117页。3.3 水上水下一体化移动船载测量（国外）第86页，共117页。3.4 地上地下一体化移动测量第87页，共117页。照

22、片与雷达图像的融合3.4 地上地下一体化移动测量第88页，共117页。地上地下三维显示3.4 地上地下一体化移动测量第89页，共117页。 3.5 室内室外移动激光扫描系统 当前主流的移动测量系统，由于使用的是GPS-IMU组合导航方法，只能在GPS短时间失锁的情况下依靠高精度的IMU进行定位，而对长时间无GPS信号的室内定位则无能为力，因此这一类的移动测量系统只能用于室外测量。 对于室内外一体化测量，目前国际上还没有成熟的解决方案，但对于单纯的室内定位，在机器人学的研究过程中已经拥有了相当成熟的理论以及技术，那就是SLAM（simultaneous localization and mapp

23、ing）。因此，将SLAM技术应用到移动测量系统中成为了目前国际上室内移动测量研究的热点。目前流行的室内移动测量方案主要有三种，包括基于激光的SLAM、基于双目视觉的SLAM、以及基于深度相机的SLAM。第90页，共117页。 商用产品：天宝TIMMS系统简介（根据其提供的手册）系统组成：高精度IMU、FARO激光扫描仪（竖直）、LADYBUG全景相机、笔记本电脑、里程计激光扫描范围：130m激光分辨率：10m5mm; 25m12mm系统扫描精度：35cm（根据其扫描距离）原理：GPS-IMU、里程计组合导航第91页，共117页。系统简介（根据其官网资料）系统组成：高精度IMU、Hokuyo

24、UTM-30LX激光扫描仪（两竖直一水平）、LADYBUG全景相机（可选）、笔记本电脑、里程计激光扫描范围：30m激光分辨率：10m30mm; 30m50mm系统扫描精度：未知原理：利用激光SLAM与惯导组合定位 商用产品：华泰天宇iMMS第92页，共117页。系统简介（根据其提供的手册）系统组成：Microstrain 3DM-GX3 IMU、 Hokuyo UTM-30LX激光扫描仪、gopro运动相机激光扫描范围：30m激光分辨率：10m30mm; 30m50mm系统扫描精度：未知原理：利用激光SLAM与惯导组合定位 商用产品： Zebede手持激光扫描仪第93页，共117页。 室内定位

25、结果第94页，共117页。 室内移动激光扫描成果第95页，共117页。 室内移动激光扫描成果第96页，共117页。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第97页，共117页。车载三维激光扫描应用公路改扩建勘测第98页，共117页。交通设施测量与建库车载三维激光扫描应用第99页，共117页。基于二维矢量地图制作三维地图交通设施测量与建库车载三维激光扫描应用第100页，共117页。激光探测和量距系统(LIght Detection And Ranging)数字正射影像机载激光测量（LIDAR）数字地面模型数字线划地形图扫描点云第101页，

26、共117页。获取的DEM产品机载LIDAR系统采集的每个点都带有真实的三维坐标，可以直接生成高精度的数字地表模型（DSM） 。第102页，共117页。 获取的DLG产品由DEM生成的等高线由DSM生成的等高线最终的线划地形图 (DLG)利用高精度的DEM并结合DOM，能更快速、更简便、更少工作量的进行DLG生产 第103页，共117页。内插断面实测断面精度分析与比较中桩误差统计第104页，共117页。工作周期长需进行大量地面控制测量及详细测量工作植被和阴影覆盖地区，地表高程不真实可以分离出建筑、植被和地形，得到高精度DSM/DEM等消除植被影响，高程误差 15 cm 无需或极少量地面控制点，节

27、省人力、财力缩短勘察设计周期约1/3基于航测的公路勘察设计 基于机载LIDAR的公路勘察设计技术经济对比野外航摄像片冲洗低处扫描野外控制与调绘立体测图LIDAR测量无需或少量控制点施工图设计定测/断面测量初测/初步设计DEM/DOM/DLG摄影测量第105页，共117页。直接快速生成DEM、DSM、DLG、DOM等产品，达到定测、施工图设计的精度要求应用机载LIDAR生成0.15m高精度的数字地面模型，有效克服了气候多变、地形复杂、植被茂盛等难题。无需或极少量控制测量，减少勘察设计环节和流程，大大缩短了工作周期，提高了工作效率。技术创新第106页，共117页。车载应用：邯郸高台转扫两站两次复合

28、精度的点云第一站转扫点云第二站转扫点云两站转扫合并后的点云（不用连接点拼站，无任何裂缝）第107页，共117页。 邯郸高台转扫精度统计行政区名称：冶陶镇序号点号实测坐标检查坐标坐标差值LL2X值Y值X值Y值XY11-24056529.729493146.9064056529.746493146.9460.017 0.040 0.0435 0.0019 21-14056492.174493144.1944056492.182493144.1870.008 -0.007 0.0106 0.0001 31-104056481.6493129.5174056481.608493129.5040.008

29、 -0.013 0.0153 0.0002 41-44056456.283493164.3594056456.246493164.383-0.037 0.024 0.0441 0.0019 51-74056455.288493131.624056455.281493131.567-0.007 -0.053 0.0535 0.0029 61-84056432.007493141.9414056432.005493141.915-0.002 -0.026 0.0261 0.0007 72-44056516.578493147.5564056516.562493147.581-0.016 0.025

30、 0.0297 0.0009 82-74056493.506493120.7514056493.456493120.742-0.050 -0.009 0.0508 0.0026 92-104056519.734493055.6884056519.753493055.6670.019 -0.021 0.0283 0.0008 103-14056557.906493319.1674056557.927493319.2010.021 0.034 0.0400 0.0016 113-24056567.659493343.3964056567.649493343.437-0.010 0.041 0.0422 0.0018 123-34056605.797493353.314