一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置和方法

文档序号:6238765阅读:207来源:国知局
一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,包括:移动载体;激光扫描仪,激光扫描仪的激光发射方向垂直于移动载体且水平射向移动载体前进方向的右侧;定位定向系统,其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统,惯性导航系统设置于激光扫描仪的左侧;以及数据采集系统,其设置在移动载体中,数据采集系统与激光扫描仪和定位定向系统连接,数据采集系统用于读取和处理激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型;承载板,其包括第一和第二板体,惯性导航系统固定在第一板体上,激光扫描仪固定在第二板体的外侧。本发明还公开了一种用于数字城市建设的移动空间信息获取数据的实时解算方法。
【专利说明】一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置和方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及三维激光扫描【技术领域】,具体地涉及一种用于城市小型街道的移动三维激光扫描系统和方法。

【背景技术】
[0002]当前,“数字城市”已经被广泛运用于城市规划设计、建筑景观模拟、通信基站布网设计等领域,其中数据采集是“数字城市”的关键。
[0003]目前对于“数字城市”的数据采集主要分为地面和空对地两种方式。空对地的观测手段主要集中在机载、星载的高分辨率、高光谱和雷达,它可以大范围、高效率的采集地面数据,不过该方式对于树木、建筑物遮挡,建筑物立面等数据无法正常采集。地面观测恰好可以弥补空地观测的这种不足,适时的采集建筑物立面及易被障碍物遮挡信息,与空对地采集数据形成有效互补,共同构建“数字城市”空间三维模型。地面数据采集常用方式既采用三维激光扫描仪,在短时间内采集大量点云数据构建建筑物模型。在实际工程中,常用到固定式三维激光扫描系统和车载式三维激光扫描系统两种类型。固定式三维激光扫描系统一般用在小范围特定场所的数据采集,不过其对于大规模城市空间及小型街道数据采集就显得效率较低。


【发明内容】

[0004]本发明的目的之一是提供一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置;
[0005]本发明的另一目的是提供一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法;本发明解决了对小型街道或较窄的胡同、社区等区域进行便捷数据采集的问题,同时解决了对采集后的数据处理以较快得到物体三维模型的问题
[0006]本发明提供的技术方案为:
[0007]—种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,包括:
[0008]移动载体;
[0009]激光扫描仪,所述激光扫描仪的激光发射方向垂直于所述移动载体且水平射向所述移动载体前进方向的右侧;该激光扫描仪为二维激光扫描仪,采集待测物体除移动载体行进方向(Y轴)外的另外两个方向(x、z)方向的数据,包括空间大地坐标等数据。
[0010]定位定向系统,其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统,所述惯性导航系统设置于所述激光扫描仪的左侧,所述GPS系统用于采集移动载体的地理坐标信息,所述惯性导航系统用于采集移动载体的数据、姿态数据和加速度数据;
[0011]数据采集系统,其设置在所述移动载体中,所述数据采集系统与所述激光扫描仪和定位定向系统连接,所述数据采集系统用于读取和处理所述激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型;以及
[0012]承载板,其包括一第一板体和一第二板体,所述第一板体水平固定在所述移动载体的顶部,所述第二板体垂直固定于所述第一板体上,所述第一和第二板体均由合金钢板制成;
[0013]其中,所述惯性导航系统固定在所述第一板体上,所述激光扫描仪固定在所述第二板体的外侧。
[0014]优选的是,所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,还包括:
[0015]CCD相机,其设置在所述移动载体顶部,所述CCD相机与所述数据采集系统连接,所述CCD相机用于采集待测物体的纹理数据。
[0016]优选的是,所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中,所述GPS系统包括:
[0017]GPS移动站,其设置在所述第一板体上;
[0018]GPS基准站,其固定架设在待测区域周围无遮挡地段,GPS基准站通过电波信号与GPS移动站交互数据。。
[0019]优选的是,所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中,所述数据采集系统为移动工作站。
[0020]一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法,包括:
[0021]步骤一、利用GPS的秒脉冲信号对一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置进行时间同步,然后利用所述装置在待测区域内移动以获取待测物体的空间信息;
[0022]步骤二、首先利用空间配准方法将激光扫描仪和定位定向系统采集的每一点的数据都转换到一统一的空间下,然后结合时间配准方法结算出每一点的三维坐标,从而生成待测物体的三维点云数据,其中时间配准方法包括如下步骤:以所述步骤一中的时间同步信号为基准,以时间信息为依据,将定位定向系统的采集数据通过内插处理与激光扫描仪的采集数据进行配准,将激光扫描仪采集的物体的二维数据按照定位定向系统采集的地理坐标数据整合而结算出每一点的三维坐标;
[0023]激光扫描仪与POS系统采集数据频率不同,本发明以采集数据时的同步信号作为基准,把时间信息作为低频POS数据内插处理和多传感器数据匹配的依据,结合POS系统所采集每一时刻点的空间位置和姿态信息。本发明数据采集时设置激光扫描仪速率依次为50kHz,10kHz,150khz,200kHz,而POS系统数据采集频率为1Hz。首先需对GPS数据进行解算处理,利用基准站与移动站主天线之间的观测数据进行单历元后处理差分解算出主天线中心坐标,然后根据激光扫描仪和POS系统数据采集频率记录时间自动内插出6个外方位元素,最后再对数据进行空间配准与时间配准,解算出目标点坐标。当部分数据点内插时,对于以直线轨迹为主的数据可以进行线性内插,对于折线等不规律轨迹,可用多项式内插或分段B样条曲线进行内插。也就是GPS系统采集的移动载体的地理坐标信息,和惯性导航系统采集的移动载体的数据、姿态数据和加速度数据以及激光扫描仪采集的物体的三维信息按照时间信息处理为物体的三维点云数据。
[0024]其中,所述数据处理软件运用C++(—种计算机编程语言)为编程语言,在VS2010 (Visual Stud12010,美国微软公司的开发工具包系列产品)的开发环境下编写。
[0025]步骤三、利用待测物体的三维点云数据和纹理数据生成待测物体的三维模型。
[0026]优选的是,所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法中,在所述步骤一之前还包括如下步骤:测定一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中的激光扫描仪、惯性导航系统、GPS移动站和CCD相机的相对位置,并计算出相对位置参数,所述相对位置参数包括平移和旋转参数。
[0027]优选的是,所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法中,所述空间配准的方法包括:
[0028]步骤I)、将激光扫描仪原始坐标转换到扫描仪空间坐标:
[0029]以激光扫描仪的发射器为坐标原点0,以移动载体行进方向作为Y轴,以垂直于移动载体行进方向作为X轴,平行于极轴方向作为Z轴,建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系,
[0030]根据激光扫描仪原始坐标系中的极坐标(P,Θ ),利用公式(I)计算得到扫描仪空间坐标系坐标(X,Y,Z):

【权利要求】
1.一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,其特征在于,包括:移动载体; 激光扫描仪,所述激光扫描仪的激光发射方向垂直于所述移动载体且水平射向所述移动载体前进方向的右侧; 定位定向系统,其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统,所述惯性导航系统设置于所述激光扫描仪的左侧; 数据采集系统,其设置在所述移动载体中,所述数据采集系统与所述激光扫描仪和定位定向系统连接,所述数据采集系统用于读取和处理所述激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型;以及 承载板,其包括一第一板体和一第二板体,所述第一板体水平固定在所述移动载体的顶部,所述第二板体垂直固定于所述第一板体上,所述第一和第二板体均由合金钢板制成; 其中,所述惯性导航系统固定在所述第一板体上,所述激光扫描仪固定在所述第二板体的外侧。
2.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,其特征在于,还包括: CCD相机,其设置在所述移动载体顶部,所述CCD相机与所述数据采集系统连接,所述CCD相机用于采集待测物体的纹理数据。
3.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,其特征在于,所述GPS系统包括: GPS移动站,其设置在所述第一板体上; GPS基准站,其固定架设在待测区域周围无遮挡地段。
4.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置,所述数据采集系统为移动工作站。
5.一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法,其特征在于,包括: 步骤一、利用GPS的秒脉冲信号对一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置进行时间同步,然后利用所述装置在待测区域内移动以获取待测物体的空间信息; 步骤二、首先利用空间配准方法将激光扫描仪和定位定向系统采集的每一点的数据都转换到一统一空间下,然后以时间配准方法解算出每一点的三维坐标,从而生成待测物体的三维点云数据,其中时间配准方法包括如下步骤:以所述步骤一中的时间同步信号为基准,以时间信息为依据,将定位定向系统的采集数据通过内插处理与激光扫描仪的采集数据进行配准,将激光扫描仪采集的物体的二维数据按照定位定向系统采集的地理坐标数据解算出每一点的三维坐标; 步骤三、利用待测物体的三维点云数据和纹理数据生成待测物体的三维模型。
6.如权利要求5所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法,其特征在于,在所述步骤一之前还包括如下步骤:测定一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中的激光扫描仪、惯性导航系统、GPS移动站和CCD相机的相对位置,并计算出相对位置参数,所述相对位置参数包括平移和旋转参数。
7.如权利要求6所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法,其特征在于,所述空间配准的方法包括: 步骤I)、将激光扫描仪原始坐标转换到扫描仪空间坐标: 以激光扫描仪的发射器为坐标原点O,以移动载体行进方向作为Y轴,以垂直于移动载体行进方向作为X轴,平行于极轴方向作为Z轴,建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系, 根据激光扫描仪原始坐标系中的极坐标(P,Θ),利用公式(I)计算得到扫描仪空间坐标系坐标(X,Y,Z):

(K = P cos ΘY= O (I)

Z = p sin θ 其中Y的坐标由定位定向系统采集获得; 步骤2)、将扫描仪空间坐标转换到车载系统坐标: 以惯性导航系统的中心作为原点0。,以移动载体行进方向作为Y轴,以垂直于移动载体行进方向作为X轴,平行于极轴方向作为Z轴,建立右手空间坐标系Oe-XcTc^作为车载系统坐标系, 根据公式⑵将扫描仪空间坐标系O-XYZ转换到车载系统坐标系Oe-XcTc^:
Xrl ΓΔλ] ΓΛ? ΓΔΛ? [屮 hx 叩丨
K;- = Δν + R、 T Ar + ?2 b: C2 Γ (2)
Z1..' ΔΖ7, Δ.Δ Q o;:: c ■:.Z 式中R。是旋转矩阵,其中各参数计算如公式(3),
!?i =_ ir —sltt ?in nbt ssM Mn m c, =tin pm? κ + cm φ$ιη iusm κ
O2? #iia m删*Λ ^lnmm κ=_§ mm ?Cf — φ&ιη κ +cos φ&?η mem ir.(3 ) % 隱 _Λιm6s **mC3 雏纖m 公式(3)中ΔΧ、ΔΥ、ΔΖ、擎、ω、κ为激光扫描仪相对于车载系统坐标系的平移与旋转参数,从所述步骤一中得到; 步骤3)、将车载系统坐标转换到当地水平坐标: 以移动载体位置作为坐标系原点O,以被测点在椭球体的法线方向为ζ轴,以被测点所在大地子午线北端与大地地平面的交线为y轴,以大地平行圈与大地地平面的交线为X轴,建立为右手空间直角坐标系作为当地水平坐标系,则有:Fi = U1(4).? J.^ci Rl = Rk*Rp*Rh(5)

COHi1- Hlli (?Rz - - O I O(6)

I siiia O COSa I
其中,Rl为惯性导航系统采集的三个姿态角构成的旋转矩阵,所述三个姿态角为翻滚角α、航向角Y和俯仰角β。
8.如权利要求7所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法,其特征在于,还包括: 步骤4)、当地水平坐标转换到ECEF坐标: 设当地水平坐标系原点的纬度为%精度为L,则有
【文档编号】G01B11/24GK104180793SQ201410428898
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】王晏民, 郭明, 吕书强, 魏冠楠 申请人:北京建筑大学
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