专利名称：车载式近景目标三维测量系统及方法
技术领域：
本发明属于测绘领域，尤其涉及三维测量系统，主要服务于“数字城市”工程。
背景技术：
“数字城市”建设的关键在于城市空间信息的获取、管理和更新，城市空间信息具有位置性、多维性和时序性。数据是信息的载体，所以说，城市空间信息的位置性、多维性和时序性，决定了城市空间数据应具有一定的位置精度、时间精度以及完整的空间坐标和描述形式。因而，空间数据快速采集是“数字城市“工程的关键技术。
至今为止，空对地数据采集已发展有机载和星载的高分辨率、高光谱和雷达观测技术，但仍未解决城市高层建筑遮挡区、高层建筑物立面、多层建筑复杂结构的信息获取，以及城市和众多工程建设所需的高速度、高精度的三维测量问题。
发明内容
本发明的目的是，为解决高精度的城市三维测量问题，提供一种车载式近景目标三维测量系统及利用该系统进行数据外业采集和数据内业处理的方法，以满足“数据城市”和各种工程建设的需要。
本发明的三维测量系统是一个可移动测量车，它是在移动车辆顶部安装测量平台，平台上安装数据采集传感器，传感器包括CCD数码相机、激光扫描仪和三个GPS接收天线，上述传感器的信号线接入车辆室内的采集控制系统；采集控制系统是由工业控制计算机、单片机和GPS接收板组成，其中三个GPS接收天线接入车内的GPS接收板构成GPS接收机，接收机接收的GPS信号经单片机处理成GPS文件，通过工控机串口传输给工控机硬盘。
激光扫描仪信号输出线通过并行或串行接口接入工控机，工作时将被侧物的距离数据和角度数据传输给工控机硬盘；CCD数码相机的信号输出线从工控机扩展的并行接口接入工控机，工作时将被测物的三维图像照片数据传输给工控机硬盘，数码相机的控制线接入单片机，由单片机控制相机的自动或半自动拍摄动作。
另外，本系统还包括电源系统一套，用于向采集器和控制设备提供电源。它包括与车载电瓶并接的同容量电瓶和逆变电源，用于向工控机和数码相机提供220V交流电，再经开关电源分别向GPS和单片机提供12V直流电，另附加船载电瓶一块，专供扫描仪12V直流电源。
本发明采用以下测量方法。
一、对城市近景目标的三维数据进行外业采集1.将一台GPS接收机安置在已知坐标控制点上作为差分站；2.让测量车停在某一起始点，使扫描仪及数码相机镜头对准被测物立面，GPS接收机静态采集数据五分钟左右，以保证车载GPS相对定位；3.再让测量车以9-18km/小时速度沿被测物终点方向行驶，GPS接收机连续跟踪所有可见卫星接收位置信号，同时启动扫描仪和数码像机对被测物进行扫描和摄像工作；4.测量车在行驶中GPS接收机动态采集位置数据；扫描仪对建筑物连续扫描，采集被测物距离数据和角度数据；数码相机每1-5秒对建筑物摄影一次，采集被测物三维图像数据，并同时记录摄像时间；5.测量车行驶到测量终点时停止行驶，扫描仪和数码相机停止工作，GPS接收机继续静态采集数据五分钟；将上述采集的GPS数据、扫描数据、影像数据分别以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存储在工控机储存器数据库中。
二、将外业采集的数据文件从工控机中读到室内计算机数据库进行内业处理1.首先从数据库中读取GPS文件，动态差分解算各历元基线和天线坐标，解算各历元车载平台的航向角(α)、仰俯角(β)、横滚角(κ)、运行速度，以及扫描仪扫描中心坐标和相机物镜坐标(X、Y、H)；再对以上数据进行空间整合、时间整合、姿态改正等解算。
2.再从数据库中读取扫描仪的LMS文件，基于GPS数据对其进行处理，将地形数据与地物数据分离，并对地形数据滤波(去除噪声、遮挡物影响)，对建筑物连续扫描的断面整体匹配、纠正，生成LMS数据表；再对LMS数据表的数据进行点云计算、断面处理、特征点探测、建模点提取，生成点云数据表；3.将点云数据表单片建模或立体像对建模，生成三维模型数据表。并从点云数据表中提取建筑物平面特征生成建筑物一般三维模型。
4.当需要三维建模时，读取数码相机拍摄的影像CCD文件生成CCD数据表，通过影像纠正生成DSM纹理数据表；利用上述内业处理生成的三维模型数据表、建筑物一般三维模型和DSM纹理影像数据表，依据不同的空间建模方法，建立城市建筑物“真实”的三维模型。
采用以上技术方案所产生的积极效果1.采用车载移动式测量系统，车上除装有激光扫描仪、数码相机，还装载GPS定位系统。这种装置在进行工作时，所采集的目标三维数据是地理坐标框架中的数据，从而使测量工作达到快速、高效和地理坐标系统的统一。
2.将三架GPS天线安置在车顶不同位置，根据“三点定面”原理，用以准确的确定扫描仪的位置、移动速度和姿态，避免了数据采集前的控制测量工作，从真正意义上实现了移动地理坐标框架的构想。
3.将汽车的行驶作为数据采集的运动维，二维激光扫描仪在汽车运行的垂直面内对物方进行扫描，构成三维数据采集系统，这是一种设计新颖的地基遥感系统。
4.采用扫描仪和纹理摄影测量技术相结合的方法，解决了数字表面模型与影像纹理的精确配准和叠加问题。
5.基于激光扫描仪提供的建筑物几何尺寸，再应用数字相片建立建筑物表面模型的方法，具有效率高、精度适宜、适用性强等特点。
图1为测量系统示意图。
图2为系统硬件结构图。
图3为电源系统结构框图。
图4为系统工作流程图。
图1中1-移动车辆，2-GPS接收天线，3-数码相机，4-激光扫描仪，5-测量平台，6-工控机箱。
具体实施下面根据附图对本发明作进一步的描述。
由图1图2所示，本系统是在移动车辆1的顶部安装固定测量平台5，平台5的三个不同位置安装三个GPS接收天线2，在平台5上安装激光扫描仪4和两台数码相机3，数码相机3竖向排列，通常情况下一台工作，当遇到高大建筑物时，另一台处于仰视角度工作。在车辆室内安装一台工业控制计算机，并将一单片机和GPS-OEM板安装在工控机机箱6中。工业控制计算机另扩展IEEE-1394并行接口板一个，用于数码相机3的图像采集和控制；另扩展串行接口扩展板一个，用于GPS接收板、扫描仪4以及相机3的数据传输。单片机通过串行接口连接在工控机上，通过同步连线与数码相机3、GPS接收板连接在一起，并连接到1394总线上。它用于发送GPS同步控制信号，用于给GPS提供接口引出和电源支持，并用于接收工控机的指令，控制相机自动或手动拍摄。激光扫描仪4通过串行接口连接在工控机上，采集的距离数据和角度数据从并口传输，传输率为44K。数据格式为存储格式为二进制文件，要求以存储时刻的工控机时间为文件名进行存储。三个GPS接收板通过串行接口连接在工控机上，采集的数据从串口传输，传输率为115.2Kbps，存储方式为二进制，要求以存储时刻的工控机时间加GPS编号为文件名进行存储。GPS接收板输出的数据包括三个GPS的导航电文，各历元的载波相位观测值以及激光扫描仪数据记录的时间(同步时间)。数码相机3采集的图像数据从工控机扩展的接口板接口传输，传输率为2M-140M Kbps，图像为多幅，以一次拍摄的多张图片为单位进行存储，以传输时刻的工控机时间作为目录名称进行存储，以相机统一编号为文件名进行存储。
本系统在实施中采用研华6179V工控机作为主控制平台，其配置情况是CPUPIII-850RAM256MDDR HDIBM-40GB；单片机采用89C2051；GPS接收板采用NovAtelDL-4-L1-L2；数码相机3采用尼康DIX数码相机；激光扫描仪4采用Rigal公司的LMS-Q140i-80型扫描仪。
由图3可知，本发明实施例的供电系统是这样实现的采用本车的车载电瓶和并联一附加电瓶为供电电源，在工作过程中由车辆发电机对电瓶的电量进行补充。由于工控机需要220V交流电源，GPS接收板、扫描仪4需要12V直流，单片机需要5V直流，相机3则需要以上三种电压，故采用UPS逆变器，将车载12V直流电逆变为交流220V为工控机供电，再通过开关电源分别对GPS板和单片机供电。这样不仅在汽车启动时可以充分的保护其他电器不受冲击电流的破坏，在停车时可以方便地通过UPS的充电功能对车载电瓶进行充电。当汽车电瓶电压过低不足以提供逆变器工作时，系统会通过报警器示意，提示启动汽车或关闭系统。由于扫描仪4是所有传感器中耗电最大的，并且对电压稳定性有较高的要求，因此增加船载电瓶一块，专门对扫描仪4供电。这样，系统在不充电的情况下可以运行大约30分钟，若启动汽车边充电则可以一直运行。
图4是整个系统的数据采集存储与处理过程。详细描述如下一、外业采集工作开始，移动测量车从起始点静态采集GPS信号五分钟，后开始沿被测物行驶，动态采集GPS信号，同时扫描仪和数码相机开始工作，至被测物终点停止后，将上述采集的GPS数据、扫描数据、影像数据分别以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存储到工矿机数据库中。其中LMS扫描数据文件格式为每列为一个指标，每行为一条记录，一行表示线列中一个点的各指标值，包括点号、射距、振幅、角度、时间。
二、内业处理1、读取GPS文件，使用GrafMov数据处理程序进行解算，得到各历元的6个外方位元素即坐标(X、Y、H)、姿态参数航向角(α)仰俯角(β)横滚角(κ)；再按面分组、进行内插拟合处理得到扫描仪每一扫描时刻扫描中心的坐标(X、Y、Z)和姿态参数(α、β、γ)生成GPS数据表。在上述GPS数据处理时，利用基准站与主天线之间的观测数据进行差分单历元解算主天线的坐标；采用适合姿态测量的模糊度OTF解算方法，用相位平滑伪距分解和固定短基线提供模糊度搜索中心；用单历元解算GPS平台的姿态，进而求得扫描仪每一扫描时刻的姿态(a、β、γ)和扫描中心的坐标。最后对以上数据进行空间整合、时间整合、姿态改正等解算目标点坐标，最终生成GPS数据表。
上述原始数据匹配原则根据数据采集时间的同步信号为基准，以时间标志进行数据匹配。扫描仪每秒采集40×220点，GPS历元间隔最小可至0.05秒，根据扫描仪记录时间自动内插6个外方位元素。对于直线运行轨迹，采用线性内插，对于折线运行轨迹，采用多项式或分段B样条内插。
2、从数据库LMS文件中读取激光扫描仪原始数据。首先将地形数据与地物数据分离；分离后对地物数据进行滤波，去除测量噪声、遮挡物如树木等影响，得到建筑物原始数据；再根据建筑物特征，对连续扫描的激光测量断面进行整体匹配纠正，得到建筑物二维平面特征数据。
再从数据库GPS数据表中调出坐标信息，结合坐标信息对二维平面特征数据进行处理，处理后的数据共四列，第一列为时间信息，第二、第三、四列分别为X、Y、H值；姿态参数对应位置数据，也是四列，后三列分别为航向角(α)、俯视角(β)、横滚角(γ)，从而得到反映建筑物表面几何特征的三维扫描坐标；生成LMS数据表。
3、接着运行LMS数据处理程序对LMS数据表进行点云计算、断面处理、特征点探测、生成点云数据表。该数据表在原始数据的后面追加六列，前三列分别为各扫描点经过空间整合以后的X、Y、H坐标；后三列分别为经过姿态改正以后的三维坐标X、Y、H。
4、从点云数据表中提取建筑物平面特征数据，生成建筑物一般三维模型，或从点云数据表中提取单张像片或立体像对数据进行建模，利用绝对定向及视差结果求出目标框架中特征点，最终生成三维模型数据表。
读取CCD影像数据生成CCD数据表，根据坐标起算基准对目标影像纠正，通过控制点，将影像进行垂直影像的纠正，消除投影误差，利用纹理摄影测量技术，将数字表面模型与摄影纹理进行精确配准并叠加，生成DSM纹理影像数据表。
利用上述内业处理的建筑物一般三维模型、三维模型数据表、DSM纹理影像数据表依据三维空间建模方法的不同，可实现以下功能1.利用建筑物一般的三维模型，再辅于DSM纹理影像数据，来建立“真实”的三维模型。
2.在没有定位控制基准的前提下，在DSM纹理影像数据表的基础上，通过立体像对的空间关系建立初步三维模型，再引入其它相对控制条件来建立“真实”的三维模型。
3.在三维模型数据表和DSM纹理影像数据表基础上，通过空间的起算基准数据，解算出基于起算基准的空间三维坐标，来建立真实的三维模型。
4.还可利用遥感或航空影像与地面控制点解算和提取模型框架的三维坐标，再辅于DSM纹理影像数据，来建立“真实”的三维模型。
权利要求
1.一种车载式近景目标三维测量系统，它包括一辆可移动测量车，其特征是在移动车辆顶部安装测量平台，平台上安装数据采集传感器，传感器包括CCD数码相机、激光扫描仪和三个GPS接收天线，上述传感器的信号线接入车辆室内的采集控制系统；采集控制系统是由工业控制计算机、单片机和GPS接收板组成，其中三个GPS接收天线接入车内的GPS接收板构成GPS接收机，接收机接收的GPS信号经单片机处理成GPS文件，通过工控机串口传输给工控机硬盘；激光扫描仪信号输出线通过并行或串行接口接入工控机，工作时将被侧物的距离数据和角度数据传输给工控机硬盘；CCD数码相机的信号输出线从工控机扩展的并行接口接入工控机，工作时将被测物的三维图像照片数据传输给工控机硬盘，数码相机的控制线接入单片机，由单片机控制相机的自动或半自动拍摄动作。
2.如权利要求1所述的车载式近景目标三维测量系统，其特征是还包括与车载电瓶并接的同容量电瓶和逆变电源，用于向工控机和数码相机提供220V交流电，再经开关电源分别向GPS和单片机提供12V直流电，另附加船载电瓶一块，专供扫描仪12V直流电源。
3.一种如权利要求1所述的车载式近景目标三维测量系统的外业采集方法，其特征是包括以下步骤(1)将一台GPS接收机安置在已知坐标控制点上作为差分站；(2)让测量车停在某一起始点，使扫描仪及数码相机镜头对准被测物立面，GPS接收机静态采集数据五分钟左右，以保证车载GPS相对定位；(3)再让测量车以9-18km/小时速度沿被测物终点方向行驶，GPS接收机连续跟踪所有可见卫星接收位置信号，同时启动扫描仪和数码像机对被测物进行扫描和摄像工作；(4)测量车在行驶中GPS接收机动态采集位置数据；扫描仪对建筑物连续扫描，采集被测物距离数据和角度数据；数码相机每1-5秒对建筑物摄影一次，采集被测物三维图像数据，并同时记录摄像时间；(5)测量车行驶到测量终点时停止行驶，扫描仪和数码相机停止工作，GPS接收机继续静态采集数据五分钟；将上述采集的GPS数据、扫描数据、影像数据分别以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存储在工控机储存器数据库中。
4.一种如权利要求1所述的车载式近景目标三维测量系统的内业处理方法，其特征是包括以下步骤(1)首先从数据库中读取GPS文件，动态差分解算各历元基线和天线坐标，解算各历元车载平台的航向角(α)、仰俯角(β)、横滚角(κ)、运行速度，以及扫描仪扫描中心坐标和相机物镜坐标(X、Y、H)；再对以上数据进行空间整合、时间整合、姿态改正等解算；(2)再从数据库中读取扫描仪的LMS文件，基于GPS数据对其进行处理，将地形数据与地物数据分离，并对地形数据滤波(去除噪声、遮挡物影响)，对建筑物连续扫描的断面整体匹配、纠正，生成LMS数据表；再对LMS数据表的数据进行点云计算、断面处理、特征点探测、建模点提取，生成点云数据表；(3)将点云数据表单片建模或立体像对建模，生成三维模型数据表，并从点云数据表中提取建筑物平面特征生成建筑物一般三维模型；(4)当需要三维建模时，读取数码相机拍摄的影像CCD文件生成CCD数据表，通过影像纠正生成DSM纹理数据表；利用上述内业处理生成的三维模型数据表、建筑物一般三维模型和DSM纹理影像数据表，依据不同的空间建模方法，建立城市建筑物“真实”的三维模型。
全文摘要
本发明公开了一种车载式近景目标三维测量系统及方法，它包括一辆移动测量车，其特征是在移动车辆顶部有测量平台，平台上有数据采集传感器，传感器包括CCD数码相机、激光扫描仪和三个GPS接收天线，传感器的信号线接入采集控制系统，三个GPS接收天线接入GPS接收板，激光扫描仪信号输出线通过并行或串行接口接入工控机，CCD数码相机的信号输出线从工控机扩展的并行接口接入工控机，数码相机的控制线接入单片机。测量时系统先对城市近景目标的三维数据进行外业采集，然后将外业采集的数据文件从工控机中读到室内计算机数据库进行内业处理。其优点是测量效率高，测量工作快，精度适宜，适用范围广。
文档编号G01B11/03GK1877253SQ20051004372
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者卢秀山, 李清泉, 李成名, 陈映鹰, 冯文灏, 靳奉祥, 李贻斌 申请人:山东科技大学, 武汉大学, 同济大学, 中国测绘科学研究院