专利名称：一种车载三维激光与全景影像测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地理信息测绘领域，尤其涉及一种城市空间信息采集、处理装备。
背景技术：
随着信息科技的发展，信息技术、空间技术已经成为城市发展变革的驱动力，世界各国纷纷将城市空间信息资源建设放在越来越重要的地位，并致力于开展“数字城市”等信息化城市建设，因此城市地理空间信息的快速获取、更新及智能化处理是当前测量领域的研究热点，也是“数字城市”建设亟待解决的重要问题。经过多年的研究发展，基于GPS技术、惯性导航技术以及CCD传感器集成的无控制点摄影测量技术取得了重大突破。但无控制点摄影测量仍然存在定位精度不高、同名点密度不够、地形起伏较大地区影像变形较大等显著问题；同时，由于城市地形复杂、建筑密度大、测量精度要求高，从而导致城市地面测量技术不可能被取代。而全站仪、图像全站仪、测量机器人等一系列先进地面测量仪器在野外作业模式仍存在着重复测量、工作效率低、劳动强度大等长期困扰地面测量的技术问题。因此，非接触测量和高效率测量必然成为城市空间信息获取的重要手段，而海量空间数据的快速、高精度、智能化处理必然成为城市测量研究领域的核心问题。城市三维测量与景观重建需要高效的空间信息获取手段作为支撑，城市建筑密度大，地形地势复杂，获取城市三维空间信息的任务非常艰巨。如果完全采用摄影相机进行数据采集，只能完成概念及抽象模型的重建。而采用地面激光雷达技术进行城市空间实体的信息采集，可以获取超高精度的三维空间信息，提高三维建模效率，实现拟真和全真模型的三维重建。利用全景影像可以获取丰富的场景纹理，并通过技术手段进一步得到部分空间信息。因此系统深入地研究全景影像和地面激光雷达技术，构建车载三维激光与全景影像测量集成系统，开发车载点云和全景影像的管理及数据处理软件，对于彻底解决城市重复测量、极大提高城市测量效率、快速实现城市三维测量与重建等都具有重要意义。
实用新型内容在深入研究全景相机和地面三维激光雷达扫描成像测量机理的基础上，针对目前城市测量、建筑工程竣工验收、数字城市建设等所面临的问题，本实用新型公开了一种车载三维激光与全景影像测量系统，实现场景的快速三维重建和高精度三维测量；同时采用静动态相结合激光扫描测量方式，实现城市地形和建筑竣工高精度测量。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种车载三维激光与全景影像测量系统，包括:载体平台、传感系统、控制系统、计算机系统、电源系统、机柜和汽车；所述的载体平台固定安装在所述的汽车车顶，所述的传感系统固定安装在所述的载体平台上，所述的机柜固定安装在所述的汽车后备箱内，所述的控制系统、计算机系统、电源系统固定安装在所述的机柜内；所述的传感系统、控制系统和计算机系统分别通过信号线一一相连；所述的电源系统分别为所述的传感系统、控制系统、计算机系统供电。[0007]作为优选，所述的传感系统包括第一传感器、第二传感器、全景相机、惯性测量单元、第一 GPS、第二 GPS、编码器和车载测量系统；所述的电源系统分别为所述的第一传感器、第二传感器、全景相机、惯性测量单元、车载测量系统供电；所述的惯性测量单元、第一GPS、第二 GPS通过信号线与所述的车载测量系统连接；所述的第一传感器、第二传感器、全景相机、编码器和车载测量系统通过信号线与所述的控制系统连接；所述的第一传感器、第二传感器、全景相机、车载测量系统通过导线与所述的计算机系统连接。作为优选，所述的控制系统包括同步控制器，所述的电源系统直接为所述的同步控制器供电。作为优选，所述的计算机系统包括第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC、视频切换器、显示器；所述的电源系统分别为所述的第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC、视频切换器、显示器供电；所述的视频切换器通过信号线一端分别与所述的第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC连接，另一端与所述的显示器连接；所述的第一 PC通过信号线与所述的车载测量系统相连，所述的第二 PC通过信号线分别与所述的第一传感器、第二传感器车载测量系统相连，所述的第三PC通过信号线与所述的全景相机相连，所述的第四PC通过信号线与所述的全景相机相连。作为优选，所述的电源系统包括逆变器、电源插座、电气控制箱，所述的逆变器、电源插座、电气控制箱顺序串联连接；所述的逆变器为所述的显示器供电，所述的电气控制箱分别为所述的传感系统、控制系统、和第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC供电。作为优选，所述的汽车还包括汽车行李架，所述的载体平台通过与所述的汽车行李架连接固定安装在所述的汽车的车顶，所述的载体平台底部安装了减振部件，减少了震动对车顶设备的影响。作为优选，所述的编码器安装在所述的汽车后方一侧的车轮，可采集精确的汽车移动距离信息，此传感器信息经过同步控制器和GPS信息、惯性导航信息整合，得出精确的汽车位置姿态信息。作为优选，所述的汽车还包括副驾驶平台，所述的显示器安装在所述的副驾驶平台上，操作人员可在此通过显示器查看系统运行状态，控制各设备以进行采集作业。作为优选，所述的载体平台由铝合金型材搭建，牢固稳定且便于扩展，可以很方便地加装激光扫描仪、线阵相机、视频相机等其它采集器件。作为优选，所述的逆变器通过220V电源线为所述的显示器供电，所述的电气控制箱通过直流电源线分别为所述的传感系统、控制系统供电，所述的电气控制箱通过220V电源线为第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC供电。与现有技术相比，本实用新型车载三维激光与全景影像测量系统具有以下有益效果:1.基于激光扫 描和高分辨率全景成像的多源多模式城市空间信息一体化解决技术。系统打破了国外厂商对车载激光扫描集成的技术垄断和价格垄断，实现车载系统的国产化；2.创新性及实用性相结合的具有自主知识产权的高分辨率全景成像系统。针对单个普通相机存在视场角小、盲区多等问题，本项目研制出一款能实现360°全景无缝拍摄的高智能成像系统，该系统采用多个高分辨率工业相机组成全视角的监控网络，并运用先进的图像处理及智能拼接算法完成360°全景显示，从而为城市大范围场景纹理信息的快速采集提供了全新高效的技术手段；3.车载三维激光与全景影像智能测量系统的高精度标定技术。研发了具有自主知识产权的车载系统标定软件，确定各项仪器设备在自定义坐标系、绝对坐标系中的位置以及相互间的关系，从而实现车载激光扫描系统的高精度绝对标定；4.集成激光点云与全景影像的高精度异源数据融合技术。利用POS (位置姿态)数据和各个传感器间的相对空间位置关系建立点云与单张面阵CCD影像间的对应关系，然后根据全景影像与单张面阵CCD影像间的映射关系，从而实现车载激光点云与全景影像的高精度配准。
图1:本实用新型的车载三维激光与全景影像测量系统电气连接示意图。图2:本实用新型的车载三维激光与全景影像测量系统的整体构架示意图。图3:本实用新型的车载三维激光与全景影像测量系统左视图。图4:本实用新型的车载三维激光与全景影像测量系统的同步控制原理图。
具体实施方式
下面结合参考附图进一步描述本技术方案，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件，但该描述仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。请见图1，本实用新型的一种车载三维激光与全景影像测量系统，包括:载体平台
·1、传感系统2、控制系统3、计算机系统4、电源系统5、机柜6和汽车7 ;载体平台I固定安装在汽车7车顶，传感系统2固定安装在载体平台I上，机柜6固定安装在汽车7后备箱内，控制系统3、计算机系统4、电源系统5固定安装在机柜6内；传感系统2、控制系统3和计算机系统4分别通过信号线一一相连；电源系统5分别为传感系统2、控制系统3、计算机系统4供电。传感系统2包括第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、惯性测量单元24、第一 GPS25、第二 GPS26、编码器27和车载测量系统28 ;电源系统5分别为第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、惯性测量单元24、车载测量系统28供电；惯性测量单元24、第一 GPS25、第二 GPS26通过信号线与车载测量系统28连接；第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、编码器27和车载测量系统28通过信号线与控制系统3连接；第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、车载测量系统28通过导线与计算机系统4连接。控制系统3包括同步控制器31，电源系统5直接为同步控制器31供电。计算机系统4包括第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44、视频切换器45、显示器46 ；电源系统5分别为第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44、视频切换器45、显示器46供电；视频切换器45通过信号线一端分别与第一PC41、第二PC42、第三PC43、第四PC44连接，另一端与显示器46连接；第一 PC41通过信号线与车载测量系统28相连，第二 PC42通过信号线分别与第一传感器21、第二传感器22车载测量系统28相连，第三PC43通过信号线与全景相机23相连，第四PC44通过信号线与全景相机23相连。电源系统5包括逆变器51、电源插座52、电气控制箱53，逆变器51、电源插座52、电气控制箱53顺序串联连接；逆变器51为显示器46供电，电气控制箱53分别为传感系统2、控制系统3、和第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44供电。汽车7还包括汽车行李架71，载体平台I通过与汽车行李架71连接固定安装在汽车7的车顶，载体平台I底部安装了减振部件，减少了震动对车顶设备的影响。编码器27安装在汽车7后方一侧的车轮。汽车7还包括副驾驶平台72，显示器46安装在副驾驶平台72上。载体平台I由铝合金型材搭建。逆变器51通过220V电源线为显示器46供电，电气控制箱53通过直流电源线分别为传感系统2、控制系统3供电，电气控制箱53通过220V电源线为第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44供电。车载三维立体影像米集系统集成两种不同型号的激光扫描仪:第一激光扫描仪2(LMS-Q120i)和第二激光扫描仪22 (VZ-400)，第一激光扫描仪21型号为LMS_Q120i，第二激光扫描仪22型号为VZ-400。其中可根据需要安装放置一台或两台RIEGL VZ-400扫描仪在4个角，用于获取车辆两侧的目标点云信息；RIEGL LMS-Q120i扫描仪安装在车体的后部，则主要用于获取地表面点云，从而实现全方位场景下三维空间信息和反射强度信息的获取。全景影像采集系统包括全景相机23，全景相机23由8个CXD相机构成，每个CXD传感器大小为2454X2056，像素大小为3.45um，其最大帧数可达到17fps。车载测量系统28采用SPAN-SE/FSAS惯性导航系统。其精度参数为:DGPS — 1.0m ；RTK — 0.10m，俯仰一0.01。；滚动一0.01° ;偏航一0.03°。系统由汽车发动机直接供电，经逆变器51逆变后，为电气控制箱提供220V交流电，电控箱完成对整个系统的供电调配和控制，包括为第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44、车载测量系统28、同步控制器31、显示器46以及第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、惯性测量单元 (MU) 24、第一 GPS25、第二 GPS26、编码器27进行供电。逆变器51连接汽车电源，提供220V交流电给显示器46和电气控制箱53 ;电气控制箱53提供220V交流电给第一 PC41、第二 PC42、第三PC43、第四PC44，提供24V直流电给第一传感器21、第二传感器22、全景相机23、车载测量系统28，提供12V直流电给全景相机23、同步控制器31。为了提高系统定位定姿的精度，系统采用GPS/MU (惯性导航单元)/ODO (里程计)组合定位定姿，通过GPS/IMU/0D0组合定位定姿系统提供的同步数据以及同步信号，完成系统的时空同步；系统中，采用多台计算机分别采取定位定姿数据、激光扫描数据以及全景影像数据，保证数据传输速率以及数据存储效率。其中，第一 GPS、第二 GPS提供GPS信号给SPAN-SE，SPAN-SE提供时间信号给同步控制器，同步控制器提供同步信号给第一 PC、第二 PC、第三PC、第四PC、LMS1201、VZ400、CXD ;LMS1201、VZ400提供原始激光点云数据给第二 PC，IMU提供惯导数据给SPAN-SE，编码器通过同步控制器提供车轮脉冲信号给SPAN-SE，SPAN-SE提供GPS数据、惯导数据、编码器数据融合后的数据给第一 PC、第二 PC ；CXD相机提供原始图像数据给第三PC、第四PC。请见图2、图3，系统整体架设于便捷的汽车车身内外。系统同汽车有机结合，在不破坏汽车原有架构的基础上充分利用汽车的内外空间。汽车在行驶过程中可利用各传感设备进行采集作业。其中，侧面激光扫描仪根据需要安装放置在四个角任一个角的，在进行道路测量的时候，需要沿道路开两遍；侧面激光扫描仪安装放置在前面或后面的两个角的，车辆在经过测量区域的时候，只需要开一边扫描。机柜设备和车顶设备之间的线缆通过车窗走线孔相连接。车顶平台集成了激光扫描数据采集系统、全景影像采集系统、惯性导航系统和GPS天线。车顶平台由铝合金型材搭建，牢固稳定且便于扩展，如可以很方便地加装激光扫描仪、线阵相机、视频相机等其它采集器件。载体平台通过与汽车行李架连接固定安装在汽车的车顶载体平台底部安装了减振部件，减少了震动对车顶设备的影响。编码器安装在汽车后方一侧的车轮，可采集精确的汽车移动距离信息，此传感器信息经过同步控制器和GPS信息、惯性导航信息整合，得出精确的汽车位置姿态信息。显示器安装在汽车副驾驶平台上，操作人员可在此通过显示器查看系统运行状态，控制各设备以进行采集作业。请见图4，系统采用计算机时钟和GPS作为时间基准，通过同步控制系统3保证所有传感器与平台的运动和姿态同步进行。当车辆以一定速度匀速行驶时，GPS和IMU同时观测并记录各传感器的位置和姿态数据，然后通过卡尔曼滤波将位置与姿态数据进行融合以确定整个车载系统的方位，同时激光扫描仪和全景相机以一定米样频率开始扫描和拍照，所有传感器都受控于车载计算机系统4，并通过同步控制系统3触发脉冲来实现数据的同步采集。与现有技术相比，本实用新型车载三维激光与全景影像测量系统具有以下有益效果:1.基于激光扫描和高分辨率全景成像的多源多模式城市空间信息一体化解决技术。系统打破了国外厂商对车载激光扫描集成的技术垄断和价格垄断，实现车载系统的国产化；2.创新性及实用性相结合的具有自主知识产权的高分辨率全景成像系统。针对单个普通相机存在视场角小、盲区多等问题，本项目研制出一款能实现360°全景无缝拍摄的高智能成像系统，该系 统采用多个高分辨率工业相机组成全视角的监控网络，并运用先进的图像处理及智能拼接算法完成360°全景显示，从而为城市大范围场景纹理信息的快速采集提供了全新高效的技术手段；3.车载三维激光与全景影像智能测量系统的高精度标定技术。研发了具有自主知识产权的车载系统标定软件，确定各项仪器设备在自定义坐标系、绝对坐标系中的位置以及相互间的关系，从而实现车载激光扫描系统的高精度绝对标定；4.集成激光点云与全景影像的高精度异源数据融合技术。利用POS数据和各个传感器间的相对空间位置关系建立点云与单张面阵CCD影像间的对应关系，然后根据全景影像与单张面阵CCD影像间的映射关系，从而实现车载激光点云与全景影像的高精度配准。以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，因此，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种车载三维激光与全景影像测量系统，包括:载体平台(I)、传感系统(2)、控制系统(3)、计算机系统(4)、电源系统(5)、机柜(6)和汽车(7);所述的载体平台(I)固定安装在所述的汽车(7)车顶，所述的传感系统(2)固定安装在所述的载体平台(I)上，所述的机柜(6)固定安装在所述的汽车(7)后备箱内，所述的控制系统(3)、计算机系统(4)、电源系统(5)固定安装在所述的机柜(6)内；所述的传感系统(2)、控制系统(3)和计算机系统(4)分别通过信号线一一相连；所述的电源系统(5)分别为所述的传感系统(2)、控制系统(3)、计算机系统(4)供电。
2.根据权利要求1所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的传感系统(2)包括第一传感器(21)、第二传感器(22)、全景相机(23)、惯性测量单元(24)、第一 GPS (25)、第二 GPS (26)、编码器(27)和车载测量系统(28);所述的电源系统(5)分别为所述的第一传感器(21)、第二传感器(22)、全景相机(23)、惯性测量单元(24)、车载测量系统(28)供电；所述的惯性测量单元(24)、第一 GPS (25)、第二 GPS (26)通过信号线与所述的车载测量系统(28)连接；所述的第一传感器(21)、第二传感器(22)、全景相机(23)、编码器(27)和车载测量系统(28)通过信号线与所述的控制系统(3)连接；所述的第一传感器(21)、第二传感器(22)、全景相机(23)、车载测量系统(28)通过导线与所述的计算机系统(4)连接。
3.根据权 利要求1所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的控制系统(3)包括同步控制器(31)，所述的电源系统(5)直接为所述的同步控制器(31)供电。
4.根据权利要求2所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的计算机系统(4)包括第一 PC (41)、第二 PC (42)、第三PC (43)、第四PC (44)、视频切换器(45)、显示器(46);所述的电源系统(5)分别为所述的第一 PC (41)、第二 PC (42)、第三PC(43)、第四PC (44)、视频切换器(45)、显示器(46)供电；所述的视频切换器(45)通过信号线一端分别与所述的第一 PC (41)、第二 PC (42)、第三PC (43)、第四PC (44)连接，另一端与所述的显示器(46)连接；所述的第一 PC (41)通过信号线与所述的车载测量系统(28)相连，所述的第二 PC (42)通过信号线分别与所述的第一传感器(21)、第二传感器(22)车载测量系统(28)相连，所述的第三PC (43)通过信号线与所述的全景相机(23)相连，所述的第四PC (44)通过信号线与所述的全景相机(23)相连。
5.根据权利要求4所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的电源系统(5)包括逆变器(51)、电源插座(52)、电气控制箱(53)，所述的逆变器(51)、电源插座(52)、电气控制箱(53)顺序串联连接；所述的逆变器(51)为所述的显示器(46)供电，所述的电气控制箱(53)分别为所述的传感系统(2)、控制系统(3)、和第一 PC (41)、第二 PC(42)、第三 PC (43)、第四 PC (44)供电。
6.根据权利要求1所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的汽车(7)还包括汽车行李架(71)，所述的载体平台(I)通过与所述的汽车行李架(71)连接固定安装在所述的汽车(7)的车顶，所述的载体平台(I)底部安装了减振部件，减少了震动对车顶设备的影响。
7.根据权利要求2所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的编码器(27)安装在所述的汽车(7)后方一侧的车轮。
8.根据权利要求4所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的汽车(7)还包括副驾驶平台(72)，所述的显示器(46)安装在所述的副驾驶平台(72)上。
9.根据权利要求1所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的载体平台(I)由铝合金型材搭建。
10.根据权利要求5所述的车载三维激光与全景影像测量系统，其特征在于:所述的逆变器(51)通过220V电源线为所述的显示器(46)供电，所述的电气控制箱(53)通过直流电源线分别为所述的传感系统(2)、控制系统(3)供电，所述的电气控制箱(53)通过220V电源线为第 一 PC (41)、第二 PC (42)、第三PC (43)、第四PC (44)供电。
专利摘要本实用新型涉及地理信息测绘领域，尤其涉及一种城市空间信息采集、处理装备，包括载体平台、传感系统、控制系统、计算机系统、电源系统、机柜和汽车；所述的载体平台固定安装在所述的汽车车顶，所述的传感系统固定安装在所述的载体平台上，所述的机柜固定安装在所述的汽车后备箱内，所述的控制系统、计算机系统、电源系统固定安装在所述的机柜内；所述的传感系统、控制系统和计算机系统分别通过信号线一一相连；所述的电源系统分别为所述的传感系统、控制系统、计算机系统供电。本实用新型打破了国外厂商对车载激光扫描集成的技术垄断和价格垄断，实现车载系统的国产化，为城市大范围场景纹理信息的快速采集提供了全新高效的技术手段。
文档编号B60P3/00GK203126621SQ20132011603
公开日2013年8月14日 申请日期2013年3月14日 优先权日2013年3月14日
发明者陈长军, 王刚, 刘勇 申请人:武汉大学