基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光測量系統的研制及應用

宋楊

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

移動激光道路測量系統(MMS)代表著當今世界最前沿的測繪科技，它是一種基于飛機、飛艇、火車、汽車等移動載體的快速新型激光掃描測量系統。該技術通常以車輛為移動載體，將激光設備安置在車頂、在垂直于車輛行駛方向作二維掃描，通過汽車行駛方向形成的運動維，構成三維掃描系統。

目前市場上常見的移動激光測量產品都是使用二維激光掃描傳感器進行系統集成，如加拿大Optech公司的LYNX移動激光測量車、美國Applanix公司的LandMark、奧地利 Riegl公司的 VMAX－250、英國 3D Laser Mapping公司的StreetMapper360、美國MDL公司的Dynascan、日本TOPCON公司的IP－S2、諾基亞所屬公司 NAVTEQ、SITECO公司的 Road Scanner以及Google使用的街景采集車。這些產品主要分為高端測量型和低端街景型兩大類，高端測量型產品成本昂貴;低端街景型產品測量距離近，測量精度低，對于某些領域存在的高精度測量及高精細、高效率、有限成本的工程任務需求，上述兩類產品往往很難同時滿足。

針對移動激光道路測量系統產品研制與應用的現狀，廣州市城市規劃勘測設計研究院于2012年聯合首都師范大學在國內率先提出、并實現了集成了RIEGL VZ－400激光掃描儀及Ladybug3全景相機的“多傳感器城市實景移動測量系統”。系統總體創新思路是把廣州市規劃院于2010年采購引進的、原本僅用于三維定點激光掃描的奧地利RIEGL VZ－400激光掃描儀加工、改造成可用于移動掃描模式，與Ladybug3全景相機、慣性導航裝置、GPS集成，并開發出多源信息復合處理的軟件，使之構成綜合、完善、靈活適用于不同載體平臺一體化激光測量與可量測城市實景的工程實用系統，實現應用需求的各項基本功能。

2 系統性能指標

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統”主要由慣性導航裝置IMU+POS、GPS、RIEGL VZ－400激光掃描儀、Ladybug3全景相機、里程計、工控機(筆記本)及相關后處理軟件組成，為空間數據獲取提供一個移動三維信息獲取與處理平臺，達到機動、靈活、高效率、高精度等特點，系統整體外觀如圖1所示。系統搭載的主要傳感器的性能指標如下:

圖1 基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統

2.1 激光機械光學系統技術指標

·掃描視場:100°

·激光發射頻率:300 kHz

·激光掃描頻率:3 scan/sec～120 scan/sec

·光束發散角:0.3 mrad

·激光等級:1級安全

·工作距離:2 m～600 m

·回波采樣方式:多回波探測(4回波)

·行車方向掃描點間距:20 cm(60 km/hr)

·100米外光斑大小為:3 cm

·回波灰度等級:10 bits

·測距精度:8 mm

·重復測量精度:5 mm

·測角精度:0．1 mRad

·掃描方向掃描點間距:15 cm

2.2 POS組合導航系統技術指標

GPS信號良好情況下，事后差分處理達到水平:1 cm+1 ppm，垂直:2 cm+1 ppm，航向角優于 0.1°，水平姿態角優于0.05°。輸出頻率大于等于 100 Hz，時間同步精度低于 1 ms，初始對準時間 15 min以內，里程計分辨率 10 cm。

2.3 系統整體測量指標及精度

系統總體定位精度:可達到國家測繪地理信息局與行業管理司于2013年3月9日起草的《地面移動測量專業標準》中對移動道路測量甲級精度要求:GPS信號良好情況下，點云的絕對定位精度優于 0.5 m。制定了移動道路測量系統檢校場建立及精度測試的標準化工作機制，在廣州市番禺區生物島建立了永久性的系統檢校場，并通過了由廣東省測繪產品質量監督檢驗中心組織開展的精度測試。

2.4 其他

系統整體為剛性連接，每次安裝無需重新檢校，使用導軌抽拉式安裝，簡單方便高效，安裝時間可控制在2 min～3 min內，全景相機的支架可伸縮，整體可不拆卸直接安置于普通SUV車體后備箱，如圖2所示，外觀采用流線型金屬不銹鋼殼體包裝，簡單大方，實現美觀、緊湊、可靠的結構集成。

圖2 系統可整體直接安置于普通SUV車體后備箱

3 系統功能及特色

3.1 系統功能

系統是多傳感器的集成的綜合系統，其主要功能包括:

(1)以正常車速沿著道路獲取目標側面100°的空間信息;

(2)提供激光點云的快速解算，完成慣導數據與激光數據的融合，得到高精度點云數據，量測的絕對精度優于國家測繪地理信息局與行業管理司提出的《地面移動測量專業標準》要求;

(3)提供360°全景影像的拼接、配準，提供帶有地理參考系的可量測全景影像。

3.2 系統特色

(1)充分利用廣州市城市規劃院已有的RIEGL VZ－400激光掃描儀，將定點激光和車載激光互換使用，節省成本將近150萬元;

(2)將水平方向可360°旋轉的激光用于二維掃描，在車行時可自由設置掃描旋轉角，有利于深入掃描胡同內側，減少樹木遮擋，實現國外兩臺激光才能達到的效果;

(3)常用車載激光相對精度為 1 cm～2 cm，RIEGL VZ－400相對精度可達毫米級，適合于對相對測量精度要求較高的項目，比如道路平整度、車轍等的測量;

(4)作業距離遠，在長距離模式下可達 600 m，高速模式下可達 350 m，遠遠超過現有車載激光，在高速公路改擴建的項目中，在精度上可高于機載激光，在作用范圍上，可替代機載激光的作用。

(5)全套設備總體重量小于 25 kg，方便搬運及裝載在其他輕便載體上。

4 系統外業數據采集及內業數據處理工作流程

近年來，廣州市規劃院成功地利用MMS技術完成了多個數字城市管理、實景影像采集、市政部件調查、街區立面整治等方面的項目，取得了良好的社會效應，積累了豐富的實踐經驗，在華南地區產生了積極的示范效應。在不斷的實踐與探索，廣州市規劃院總結了一套切實可行的移動道路測量系統外業數據采集、內業數據處理的工作流程。

4.1 系統外業數據采集

MMS系統外業數據采集工作流程如圖3所示，主要過程如下:

(1)開啟基站，記錄基站信息。

(2)設備安置、接線、安全確認。

圖3 MMS系統外業數據采集工作流程

(3)開啟硬件系統:按照系統硬件操作流程依次開啟硬件設備，并設置好硬件的狀態參數。

(4)GPS接收機:打開GPS接收機和連接的計算機，檢查設置參數是否正確。

(5)慣導設備:確認慣導初始參數設置的正確性，打開慣導狀態監測界面。

(6)全景相機:開啟全景相機，確定正常工作狀態，設置當前工作的全景相機觸發模式，設置全景影像存儲路徑。

(7)激光掃描儀:開啟激光掃描儀，確定正常工作狀態，設置當前作業的掃描模式，掃描角度、掃描速度等參數，設置激光掃描數據存儲路徑。

(8)系統軟件啟動:在硬件系統全部正常啟動后，啟動系統軟件并對相關的參數進行設置，觸發方式一般設置為每隔 5 m觸發一次。每個工程應設定起點和終點，一般情況下，一個工程的終點與下一個工程的起點應該重合。

(9)數據采集:測量車進入測區，司機按照計劃路線和作業組長要求行駛，作業人員按照規定項目內容對其進行數據采集并對影像進行保存。

在采集作業中，對出現影響數據質量、數據的完整性等問題及時給予記錄，并填寫《外業補測記錄表》。

(10)采集作業完成后，將采集數據拷貝至外掛數據專用移動硬盤，依次關閉各硬件設備，最后關閉系統電源。

4.2 系統內業數據處理

系統內業數據主要處理包括GPS/IMU集成處理、影像地理參考、全景影像與激光點云的融合配準、屬性采集、矢量編輯及標準空間數據轉換，具體流程如圖4所示。

圖4 MMS系統內業數據處理集工作流程

(1)GPS數據的差分后處理

將移動站的GPS/IMU融合的數據與基站采集的GPS數據進行差分后處理，消去系統和環境誤差，提高移動站GPS測量數據的精度。

(2)全景影像數據后處理

影像數據后處理是指將采集的360°全景相機影像數據經過和GPS數據進行關聯、處理、優化，生成入庫文件。

(3)全景影像與激光點云的融合配準

傳統全景影像是無空間坐標信息的，而激光點云則僅包含空間坐標信息，對該坐標的影像屬性是缺失的，解決影像與點云數據的融合配準是本項目的關鍵性創新點之一。系統設備在采集過程中，首先實現了全景影像及激光點云兩類數據在時間觸發上的同步采集，以此為基礎，在內業數據加工處理中，影像與點云數據可建立較高精度的配對關系，主要原理是通過由激光點云提供任意時刻、對應處全景影像的三維坐標，還原全景影像中任意點的坐標。即以激光點云數據確立的準確坐標為標準，將全景影像與其套合，在此原理上，利用輔助網格方便進行點位坐標采集，長度測量，面積測量，跨幀測量等。在全景影像中進行測量的最大優點就是無需逐個實地操作，在全景影像中就可以完成所見即所得的測量，高效安全。

全景相機與IMU偏心量的測定:全景相機與IMU偏心量可以直接用尺子量取，可以用全站儀分別測量相機投影中心和IMU中心坐標，計算出偏心量。

全景相機與IMU間相對姿態精求:用點云配準軟件與全景影像疊加工具，直接調整相機姿態角，使點云與影像中特征點完全匹配重合，記錄相機與IMU間相對姿態數據，如圖5所示。

圖5 相機影像與點云精確配準精求姿態

根據相機與IMU間相對姿態數據和組合導航結果計算相機拍攝時刻外方位元素。利用共線方程式計算點云在影像中的位置，將此RGB值賦予點云形式彩色點云數據，如圖6所示。

圖6 用全景影像融合得到廣州的彩色點云

(4)部件圖層處理

屬性錄入結合外業采集屬性數據庫、影像數據、設計資料、測區收集的地形圖、航空遙感影像、交通圖;各類數據相互關聯、相互補充，形成完整的部件圖層數據。

5 應用實例

圖7 全景相機影像與激光點云數據的精確配準

圖8 二三維數據聯動，基于可量測全景影像的市政要素提取，絕對精度優于0.5 m

圖9 基于原始點云和全景影像實現全自動三維建模和紋理貼附

圖10 具備量測功能的網絡版街景發布

6 結語

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統”在保持高精度、遠距離的測量精度之外，兼顧城市實景測量車的特點、獲取適合人眼視覺的全景影像，可同時適用于地面定點激光掃描、車載移動激光掃描、船載移動激光掃描等不同載體平臺和應用環境。系統以及相關的處理軟件自投入運行以來，已經在廣州市三維實景影像采集和城市管理部件普查(二期)、數字營區建設;帶狀地形圖測繪、道路改擴建項目;移動道路測量與航空傾斜攝影測量整合等項目中進行了實際的應用，與傳統測量手段形成了很好的互補、豐富了測繪地理信息產品的形式、延伸了測繪地理信息服務的產業鏈，為數字廣州、智慧廣州進一步的發展提供強有力的支撐。

［1］ 李德仁．移動測量系統技術及其應用［J］．地理空間信息，2006，4(4):1 ～5．

［2］李德仁．論可量測實景影像的概念與應用——從4D產品到5D 產品［J］．測繪科學，2007，32(4):5～7．

［3］ 李德仁、關澤群．空間信息系統的集成與實現［M］．武漢:武漢測繪科技大學出版社，2000．

［4］韓友美，王留召，鐘若飛．基于激光掃描儀的線陣相機動態高精度標定［J］．測繪學報，2010，39(6):631～635．

［5］王留召，韓友美，鐘若飛．360°激光掃描儀錐掃描角標定［J］．測繪通報，2010(9):5～8．

［6］李德仁，胡慶武．基于可量測實景影像的空間信息服務［J］．武漢大學學報·信息科學版，2007，32(5):377～418．

［7］袁曉宏，劉紅軍，于洪偉等．導航地理數據更新與實景影像獲取集成系統研究［J］．測繪科學，2008(33):57～60．

［8］殷福忠，劉紅軍，張延波．基于移動測量技術的城市3維實景影像信息服務研究［J］．測繪與空間地理信息，2008，31(6):17 ～23．

［9］姚正明，鄭燦輝，曲林．淺談移動道路測量系統外業采集［J］．測繪與空間地理信息，2009，32(4):154～156．

［10］ 楊沾吉．可量測實景影像在數字城管中的應用［J］．測繪通報，2012(8):36～38．

［11］CH/Z 1002－2009．可量測實景影像［S］．