車載三維數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、車載三維數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)                   作者：魏波 張愛(ài)武 李佑鋼 冀翼 王瑤 【摘要】  為了實(shí)現(xiàn)對(duì)城市主干道及其兩側(cè)的街景等三維場(chǎng)景進(jìn)行自動(dòng)快速采集，車載三維數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)集成多種傳感器：全球定位系統(tǒng)（GPS）、VECTOR、慣性測(cè)量單元 (IMU)、激光掃描測(cè)距儀（LS）、面陣CCD數(shù)碼相機(jī)、線陣CCD數(shù)碼相機(jī)等。該套系統(tǒng)通過(guò)對(duì)GPS/IMU組合系統(tǒng)導(dǎo)航

2、解算、VECTOR和升降幾何平臺(tái)進(jìn)行空間配準(zhǔn)、時(shí)間同步處理，計(jì)算出系統(tǒng)精確可靠的空間時(shí)間和姿態(tài)航向信息，二維激光掃描儀數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波去噪、和其他傳感器數(shù)據(jù)融合、三維空間計(jì)算，解算出道路和兩側(cè)街景的三維空間數(shù)據(jù)模型，對(duì)空間激光數(shù)據(jù)模型提取點(diǎn)線面特征值，結(jié)合CCD相機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行立體重建和可視化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、主動(dòng)、完整地獲取和處理三維空間數(shù)據(jù)信息。 【關(guān)鍵詞】  多傳感器數(shù)據(jù)融合； GPS/IMU組合導(dǎo)航； 三維立體重建         Abstract: In order to achieve a collect

3、ion of information of the 3D scenes of main streets and their two sides in city automaticlly and quickly, a vehicle-borne system of 3D data acquisition and processing was developed by integrated with Global Positioning System (GPS), VECTOR, Inertia Measurement Unit (IMU), laser scanner (LS), planar

4、charge coupled device digital camera, linear charge coupled device digital camera, etc. System computes combined navigation system of GPS/IMU, VECTOR and ascendable geometry stable platform, proceeds in space registration and time synchronization, calculates the systems accurate space, time, stance

5、and  course. Planar laser scanning data was filtered, registered space-wisely and time synchronously and fuse computered with other sensors data, extracted to 3D solid model of characteristic information of the road and outside of street, continuously extracted to point, line and plane, reconst

6、ructed combined with CCD camera data and visualized to 3D model true scene, finally implement acquisition and process of 3D space data timely, initiatively and integrally.    Key words:  data fusion of multi-sensor; combined navigation of GPS/IMU; 3D solid reconstruction 

7、60;  為了有效地解決實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)信息獲取與處理問(wèn)題，本課題集成差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System， DGPS)、Vector、慣性測(cè)量單元(IMU)、掃描式激光測(cè)距儀（2D Laser scanner，2D LS）、線陣CCD相機(jī)、面陣CCD相機(jī)(charge coupled device，CCD) 等傳感器于開(kāi)啟天窗、對(duì)電源系統(tǒng)和桌椅改造過(guò)的汽車運(yùn)載平臺(tái)上，建立一套車載三維數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、主動(dòng)、完整地獲取和處理三維空間數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)城市街景快速建模。   

8、 1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成結(jié)構(gòu)    完整的車載三維數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)由定位定姿模塊和影像采集模塊兩部分組成，其中用于定位定姿態(tài)的傳感器有DGPS、VECTOR、IMU等，用于掃描或攝影成像的影像傳感器有掃描式激光測(cè)距儀（2D LS）、線陣CCD和面陣CCD相機(jī)等。這兩部分和車載升降臺(tái)、車載計(jì)算機(jī)及經(jīng)過(guò)改裝的汽車運(yùn)載平臺(tái)組成整個(gè)系統(tǒng)。    系統(tǒng)通過(guò)集成DGPS、IMU，獲取系統(tǒng)時(shí)間、車載平臺(tái)位置與姿態(tài)，1臺(tái)VECTOR獲取車前進(jìn)的航向角，為系統(tǒng)提供定位定向定時(shí)信息。利用2DLS獲取地物目標(biāo)幾何數(shù)據(jù)，采用線陣和面陣CCD相機(jī)獲取地

9、物目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)，采用Kalman濾波融合GPS、IMU數(shù)據(jù)，空間檢校技術(shù)確定傳感器間相對(duì)方位、空間配準(zhǔn)，并建立多傳感器系統(tǒng)的時(shí)間同步配準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1。    圖1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖    系統(tǒng)的工作原理是：車輛以一定速度沿道理前進(jìn)，GPS及IMU同時(shí)觀測(cè)并記錄傳感器的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，面陣CCD和線陣CCD分別獲取建筑物立面影像信息及道路路面，激光掃描儀也同時(shí)將道路兩側(cè)建筑物表面的點(diǎn)云記錄下來(lái)，所有傳感器都受控于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并通過(guò)同步控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。在后續(xù)處理中，利用GPS于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集成技術(shù)為影像

10、傳感器提供高精度的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)以快速恢復(fù)出城市街區(qū)的場(chǎng)景模型，所獲取的城市三維目標(biāo)信息可以滿足當(dāng)前“數(shù)字城市”的需要。    1.1  DGPS系統(tǒng)    DGPS系統(tǒng)確定平臺(tái)的移動(dòng)位置，由一臺(tái)車載GPS和在一實(shí)驗(yàn)樓10層頂架設(shè)一臺(tái)基站接收機(jī)組成。系統(tǒng)采用NovAtel DL-4型雙頻高精度、高數(shù)據(jù)刷新率GPS。GPS數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)處理。    1.2  VECTOR    航向測(cè)量系統(tǒng)（VECTOR）用來(lái)為慣性導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)提供航向角。

11、為了獲取車前進(jìn)方向的航向角，接收信標(biāo)差分信號(hào)，提高GPS的定位精度，系統(tǒng)采用了加拿大CSI Wireless公司的GPS測(cè)向產(chǎn)品VECTOR Sensor PRO接收機(jī)。    1.3  慣性測(cè)量單元    慣性測(cè)量單元為系統(tǒng)提供平臺(tái)位置和姿態(tài)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量、定位和導(dǎo)航IMU選用低價(jià)位、高性能的測(cè)量元件慣性傳感器YH-7000慣性測(cè)量單元（IMU）&垂直陀螺儀（VG），可得出所需的角度和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。慣性測(cè)量單元由一組三軸±2、±5或±10   g的固連加速度計(jì)（帶寬&g

12、t;100   Hz），和一組三軸100、200 或300   deg/s的光纖陀螺FOGs（帶寬>100   Hz）組成，通過(guò)濾波，16位A/D轉(zhuǎn)換，起始誤差和軸向偏差的補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)約140   Hz，38400波特率的串口輸出一組6 個(gè)慣性測(cè)量的數(shù)據(jù)。陀螺儀采用根據(jù)光的干涉來(lái)測(cè)量角度旋轉(zhuǎn)的FOG傳感器。    1.4  激光掃描儀    三維城市模型的構(gòu)建需要真三維的空間數(shù)據(jù)和真實(shí)影像數(shù)據(jù)，采用基于地面的激光掃描系統(tǒng)獲取城市三維重建和局部區(qū)域空間信息。    系統(tǒng)采用了SICK公司生產(chǎn)的SICK LMS291二維激光掃描儀。將掃描儀裝載到移動(dòng)測(cè)量車的升降平臺(tái)上，當(dāng)測(cè)量車沿著某一方向運(yùn)行時(shí)，掃描儀實(shí)時(shí)獲取道路兩側(cè)的相應(yīng)物體的二維位置信息。    1.5  面陣線陣CCD相機(jī)    面陣CCD相機(jī)獲取建筑物立面紋理信息。采用從杭州超億數(shù)碼公司定做2臺(tái)600萬(wàn)像素面陣CCD數(shù)碼相機(jī)NED-7500D。數(shù)據(jù)接口采用PCI 2.2標(biāo)準(zhǔn)采集