移動激光掃描測量系統設計集成與實現

俞德崎，李廣云，王 力，谷友藝

（1. 信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450000；2. 信息工程大學 數據與目標工程學院，鄭州 450000）

0 引言

地理信息技術、通信技術、感知技術和超算技術是智慧城市建設的關鍵技術，也是大數據采集與處理的重要技術。其中，地理信息技術是采集數據和信息的關鍵，如何更高效、高速、高精度地采集用于智慧城市建設所需的城市空間地理信息數據是當前需要研究解決的熱點問題[1-2]。基于多傳感器集成的移動激光掃描測量系統（mobile laser scanning mapping system， MLS）是當前城市空間地理信息采集的一項主要技術，是一種新興的、綜合的、高動態的測量手段[3-4]。一般典型的MLS集成了定位定姿系統（positioning and orientation system， POS）、激光掃描系統、影像采集系統，以現代傳感器技術、計算機技術、模式識別技術和平差理論為支撐。POS由全球衛星導航系統（global navigation satellite system， GNSS） 和 慣 導 系 統（inertial navigation system， INS）組合而成可提供載體位姿數據，MLS利用激光掃描系統和影像采集系統采集空間點云數據和影像數據，在確定了激光掃描系統和影像采集系統 INS中心的相對位置之后，通過POS提供的載體位置和姿態數據將點云數據和影像數據轉換到地理坐標系下，再利用點云與影像數據間的對應關系，將二者數據融合最終形成彩色點云，從而直觀反映出城市空間物體的表面色彩、結構和尺寸等信息。

隨著國內外專家學者多年來的應用實踐，MLS的相關技術日趨成熟，且按照載體的不同已經發展出了車載MLS、船載MLS、機載MLS、無人機載MLS和背負式MLS。由于MLS與傳統的測繪地理信息獲取手段相比，具有高精度、高效率、自動化、實時性強的特點；因此MLS已經在地理數據采集和制圖、街景數據采集、城市樹木普查、市政管理和道路測量等領域得到廣泛的應用[5-7]。目前在 MLS的成熟系統中，國外主要有 MX8系統[8]、DYNASCAN系統、VMX-250系統[9]、全新的多平臺移動測繪系統 Robin；國內典型的 MLS有LD2000系統[10]、3Dsurs系統[11]、SSW 系統[12]、iScan系統[13]等。本文在借鑒國內外MLS設計與集成經驗的基礎上，選擇合適的傳感器，對系統進行整體設計，提出相應的時空基準統一方案，集成一套能夠滿足城市空間地理信息數據采集需求的移動激光掃描測量系統。

1 系統設計與集成

MLS是一個復雜的軟硬件一體系統，不僅包括原始數據采集所需的硬件，還包括對原始數據進行后處理的軟件系統。為了實現MLS的測量功能，并使MLS達到工程測量所要求的精度，必須確保MLS的各模塊的軟硬件之間能夠協調一致地工作。MLS一般包括以下模塊：主控模塊、傳感器模塊、通訊模塊和電源模塊。具體組成如圖1所示。

圖1 系統組成

由圖1可知，電源模塊主要由電池和電源保護裝置為傳感器模塊和主控模塊供電；主控模塊主要包括工控機、存儲器和后處理軟件等；傳感器模塊主要是POS和激光雷達；主控模塊與傳感器模塊間的通信和數據傳輸依靠通訊模塊進行；通訊模塊包括網線、USB線和相關接口。

本文主要使用1臺POS、1臺激光雷達、1臺從站GNSS、1臺控制計算機和電源組成一套可用于多種載體平臺的 MLS。POS系統使用的是NovAtel公司的 SPAN-CPT，其具有很好的性價比，一套完整的 SPAN-CPT包括主機、GNSS天線和連接線，主機集成了GNSS+INS的緊耦合組合導航定位系統；激光雷達使用了Velodyne公司的16線激光雷達，每秒可輸出高達30萬個目標點，支持外接 GNSS，并且具有 360°的水平掃描范圍；從站GNSS是國產北斗星通GNSS，主要包括 C201型接收機和 GPS500天線。對整個系統的線路連接如圖2所示。

圖2 系統線路連接

1）CPT主機與主站天線通過TNC互連，將主站天線接收的衛星信號輸入CPT。

2）CPT主機的COM1接口用于連接激光雷達，發送信號地、秒脈沖和時間同步信息實現時間同步操作。

3）COM2接口，用于連接從站接收機，構成雙天線系統，實現輔助IMU的初始對準。

4）從站接收機與從站天線通過TNC互連，將從站天線接收的衛星信號輸入接收機。

5）USB通訊接口用于CPT主機連接計算機，實時顯示CPT工作狀態和設置工作參數，保存位姿數據。

6）網口通訊接口用于激光雷達連接計算機，實時控制激光雷達，設置掃描參數和保存數據。

7）穩壓電源為CPT、激光雷達和從站GNSS供電，推薦用12 V，避免電壓過高燒壞設備，過低則設備不能正常運行。

系統的集成如圖3所示：激光雷達豎直固定于MLS前部，使發射的掃描線與水平面垂直，確保能完整地采集周圍環境數據；主站天線固定安裝于MLS頂部；從站天線安裝于載體上，與主站天線距離至少為1.5 m；POS系統和電源安裝固定于MLS內部；數據傳輸接線口位于MLS的后部；整體系統由開光控制開啟與關閉。

圖3 MLS系統集成

2 時空基準統一方案

移動激光掃描系統的核心問題是多傳感器間的數據融合。在數據融合過程中，由于不同設備采集數據定義的時間系統不同，POS使用的時間系統與激光雷達使用自身儀器時間系統不同，導致同一時刻采集的數據在不同的設備中記錄的時間戳不同，無法對同一時刻采集的數據直接進行融合處理，因此必須對系統進行時間同步處理；同時，POS和激光雷達采集的數據結果坐標定義不同，無法直接使用，需要求解激光雷達坐標系中心相對于INS中心的安置參數，即偏心矢量和安置角，將二者坐標系統一到相同坐標系下。

1）時間基準統一。本文所用Velodyne激光雷達支持外接全球定位系統（global positioning system， GPS），當外接 GPS且時間同步信號鎖定時，激光雷達采集的原始數據尾部將以每小時微秒的形式加上 GPS提供的當前 UTC時間戳，使激光雷達與POS數據統一到相同的時間系統；當時間同步信號失鎖時，激光雷達繼續使用自身的儀器時間系統。因此，本文使用基于秒脈沖觸發法實現MLS的激光雷達與POS的時間基準統一。Velodyne預留的 GPS外接接口是一個 8針腳的GPS接口，接口定義如圖4所示。

為了實現POS與激光雷達的時間基準統一，需要將POS輸出的秒脈沖（pulse per second， PPS）信號、推薦定位信息（$GPRMC）和信號地與GPS接口相應的針腳相連。如表1所示。同時，由于激光雷達只能識別接收頻率為 1 Hz、波特率 9 600的$GPRMC時間同步信息，因此使用時需要事先利用串口調試助手將POS的COM1口輸出的時間同步信息設置成相應的格式、頻率和波特率。在時間系統統一之后，由于POS設置的數據采集頻率為1 Hz，激光雷達工作頻率為5～20 Hz，且激光雷達掃描點的時間戳精度為毫秒級，導致在數據融合時，無法確定激光頭掃描對應時刻載體準確的位置與姿態數據，需要對POS的位置姿態數據進行插值處理，估算對應的位姿數據。

圖4 GPS接口定義

表1 針腳對應連接

2）空間基準統一。空間基準統一主要是安置參數的標定。安置參數指激光掃描儀相對于慣導坐標系的偏心矢量（lever arm）和安置角（borsight angel），其參數的標定稱為 MLS的外標定（external calibration）。POS的尺寸可以得到，由設備廠家提供，MLS平臺在設計加工時已經讓加工廠對設備尺寸進行了準確的測量。因此MLS尺寸和POS尺寸已知，可以得到MLS角點在INS坐標系下的坐標；引入球靶標，激光雷達掃描得到球靶標中心在激光雷達坐標系下的坐標；利用全站儀測量MLS角點和球靶標中心在全站儀坐標系下的坐標，利用7參數模型分別建立全站儀坐標系與INS坐標系、激光雷達坐標系的轉換關系，從而可以得到激光雷達坐標系到INS坐標系的轉換關系，安置參數標定流程如圖5所示。

圖5 安置參數標定原理

本文使用的7參數坐標轉換模型為

表2 安置參數標定結果

3 實驗與結果分析

在完成MLS設計集成與平臺加工之后，以電動三輪車為載體，在中心校區的環道進行了移動測量路測實驗，驗證MLS平臺是否能夠實現移動測量數據采集的功能。

中心校區環道路面平坦，衛星信號良好，只有少數路段出現衛星失鎖情況，因此適合路測實驗的展開。路測實驗（如圖6所示）主要包括數據采集和數據處理2個過程：

第一，數據采集過程。首先在空曠的平地建立GNSS基準，將基站數據采集模式設置為靜態采集，采樣間隔 1 s，量取天線高，開始靜態數據采集；然后打開MLS，使POS和激光雷達通電，對POS進行初始化設置，載體繞著環道勻速行駛開始采集POS數據和激光雷達數據；最后，數據采集結束，保存POS和激光雷達數據，關閉MLS，再關閉基站 GNSS。

第二，數據處理過程。將基站 GNSS數據和POS數據導入Inertial Explorer軟件進行組合導航解算，推算導航軌跡，在GNSS解算斷點處，軟件會自動進行平滑處理，軌跡如圖6（a）所示；再將激光點云數據與組合導航解算結果進行融合處理形成點云數據，將點云數據導入PtCloudsPro軟件顯示處理。

圖6 MLS路測實驗

圖6（c）所示為MLS，載體帶著MLS沿著環道校園環道行駛，其以大約15 km/h的速度在實驗區域圖6（b）勻速行駛。由圖6（a）軌跡可知：在校園環道上全程GNSS信號較好，只有少數幾個位置出現GNSS失鎖導致的斷點，通過平滑算法對斷點處軌跡進行了修正；點云數據采集發生在軌跡上方的灰色框內的部分，該部分路段具有極好的GNSS信號，定位定姿精度較高；該路段道路開闊，兩側樹木和建筑物較多；該路段采集點云全局高程圖如圖7所示。

圖7 點云全局圖

圖中間的白色直道部分即為實驗測量區域的道路部分，未采集到相應的點云數據；原因在于本文所用載體的高度有限，MLS放置于載體時，激光雷達高度距離地面大約為80 cm左右，小于激光雷達的最小測距范圍，無法采集到路面點云數據。從全局點云中截取獨棟建筑的局部點云數據，并利用人工交互對建筑點云進行去噪處理，得到幾何輪廓較清晰的建筑點云數據，如圖8所示。

通過局部點云圖 8可以看出：路測實驗所得的點云數據中比較清楚地反映了道路兩側的信息，建筑物表面輪廓分明，整體數據質量達到了預期的效果；但同時在對點云數據進行處理時也發現，部分小區域出現較散亂的點云數據，可能是由于載體在某些路段抖動過大所致；同時某些地方出現無點云數據的現象，這些空缺可能是物體反射率過低所致。

圖8 點云局部

4 結束語

本文針對城市空間地理信息采集的需求，設計集成了一套移動激光掃描測量系統。基于本文設備自身的特點，提出的時空基準統一的方案能夠較好解決在移動激光掃描系統數據融合過程中時間系統不一致和坐標系統不一致的關鍵技術問題；對移動激光掃描測量系統進行的路測實驗中，采集得到的點云數據較好地反映了道路兩側的環境信息，得到了較好的結果。總體來說，本文集成的測量系統可以滿足城市空間地理信息數據采集需求。

同時，該系統也存在一些需要改進之處，如設計集成方面需要降低重量以方便攜帶，以及后期考慮加入影像采集系統，融合出彩色點云數據。另外，點云的質量控制也是移動測量需要解決的關鍵問題，后期將結合本文的MLS對相關問題做進一步的研究。