一种基于北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统的制作方法

一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统
技术领域
1.本发明属于激光雷达技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统。


背景技术：

2.近年来，随着智慧城市、数字孪生、无人驾驶等高新技术发展，我国已经进入数字化建设飞速发展阶段，众多应用领域对地理空间三维信息的需求量日益剧增。激光雷达扫描技术因其快速、简单、抗干扰能力强、非接触等特点，已经成为各类空间信息数据获取的重要手段。激光雷达扫描技术的发展和完善，提高了点云数据的精确度但也使得点云的数据量大大提升，给点云数据传输造成困难。使得像文化遗产保护需要远程实时监测古建筑结构变形，特大异性钢结构建模，对比分析设计与施工差距等需要远程自动采集、存储和传输数据的应用领域的发展受限。因此有必要研制一款可以异地实时传输海量激光点云的地基激光雷达测量系统。
3.于是，有鉴于此，提供一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统，以期达到更具有更加实用价值性的目的。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统，由以下具体技术手段所达成：
5.一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统，包括硬件系统和终端系统，所述硬件系统包括激光雷达、北斗/gnss定位模块、时间同步模块、电机模块、5g传输模块、双水准气泡和指北针，所述激光雷达用于扫描获取被测场景点云信息，所述双水准气泡和指北针用于保证激光雷达扫描初始指北；
6.所述终端系统包括数据处理模块和可视化系统，所述数据处理模块用于对数据进行点云配准和格式转化，将配准后的激光点云数据进行数据分割及格式转换，以得到实时点云处理与可视化系统支持的数据格式，并结合lod调度策略实现激光点云数据可视化。
7.进一步的，激光雷达包括激光雷达传感器和旋转平台，所述激光雷达传感器为多线式三维激光扫描仪，所述旋转平台与电机模块连接，所述电机模块为高精度电机。
8.进一步的，硬件系统还包括嵌入式微控制器，所述嵌入式微控制器用于将时间信息解码成时间戳，并利用时间同步模块将时间信息同步给激光雷达和电机模块。
9.进一步的，5g传输模块用于将实时扫描数据发送给远程终端系统，终端系统接收数据后通过线性插值算法点进行点云多帧配准，接着根据北斗/gnss坐标进行多站激光点云粗配准再利用罗德里格矩阵进行精配准以完成整体配准。
10.进一步的，数据处理模块在对数据进行点云配准时，采用多站点云数据整体配准以得到完整的环境点云。
11.进一步的，终端系统为实时点云处理与可视化系统，其由点云数据传输模块、点云
数据预处理模块、gis分析模块、功能管理模块、三维场景模块、三维比对模块组成。
12.进一步的，gis分析模块用于对点云数据进行可视域分析、淹没分析和坡度分析，所述功能管理模块用于对点云数据进行数据加载、测距和动态监测。
13.进一步的，终端系统还包括具有多细节层次的3dtiles瓦片结构，用于将一个大的场景文件进行场景分割分块，形成具有多细节层次的场景散列文件，分块分层地去渲染和调度。
14.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
15.本发明通过将5g通讯技术与北斗/gnss定位模块相结合研制了一款价格低廉，携带方便的地基激光雷达测量系统，该测量系统可以有效解决海量点云远程传输问题，可为文化遗产数字化保护、建构筑物高精度实时监测、智慧城市和数字孪生等数字化发展提供数据支持，具有广泛的应用价值和较大的经济效益。
附图说明
16.图1是本发明系统整体示意图。
17.图2是本发明实时点云处理与可视化系统示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
19.实施例：
20.如附图1至附图2所示：
21.本发明提供一种基于北斗/gnss定位和5g通讯的地基激光雷达测量系统，包括硬件系统和终端系统，所述硬件系统包括激光雷达、北斗/gnss定位模块、时间同步模块、电机模块、5g传输模块、双水准气泡和指北针，所述激光雷达用于扫描获取被测场景点云信息，所述双水准气泡和指北针用于保证激光雷达扫描初始指北；
22.所述终端系统包括数据处理模块和可视化系统，所述数据处理模块用于对数据进行点云配准和格式转化，将配准后的激光点云数据进行数据分割及格式转换，以得到实时点云处理与可视化系统支持的数据格式，并结合lod调度策略实现激光点云数据可视化。
23.其中，激光雷达包括激光雷达传感器和旋转平台，所述激光雷达传感器为多线式三维激光扫描仪，所述旋转平台与电机模块连接，所述电机模块为高精度电机。
24.其中，硬件系统还包括嵌入式微控制器，所述嵌入式微控制器用于将时间信息解码成时间戳，并利用时间同步模块将时间信息同步给激光雷达和电机模块。
25.其中，5g传输模块用于将实时扫描数据发送给远程终端系统，终端系统接收数据后通过线性插值算法点进行点云多帧配准，接着根据北斗/gnss坐标进行多站激光点云粗配准再利用罗德里格矩阵进行精配准以完成整体配准。点云数据时空配准主要方法是通过对标时间标签，同步方式配准点云数据。首先读取点云和角度文件，然后遍历文件寻找两个文件对应的时间，接着根据时间标签使每帧点云和角度数据一一对应，并根据旋转矩阵使点云旋转到对应角度。对于点云文件中和角度数据的时间无法对应的数据则采用线性插值算法获取对应旋转角度。北斗/gnss信号模拟与时间同步，具体分为：
26.有北斗/gnss信号，由于激光雷达不配备内部时钟，需要外部时间信息，而且本测量系统采用的激光雷达需要输入gnrmc/gprmc格式时间数据，并通过pps秒脉冲信号的方式进行时间同步；高精度电机也同样不配备时间设备，同样需要外部时间信息，因此可以通过接入北斗模块的方式给激光雷达和转台传输同样的时间信息进行时间同步；
27.无北斗/gnss信号，利用嵌入式开发的方式，给嵌入式微控制器编写了一个可以产生虚拟gnrmc/gprmc时间和pps秒脉冲信号的功能，嵌入式微控制器产生pps秒脉冲通过rs232转485的方式将pps信号输入激光雷达，产生的虚拟gnrmc/gprmc时间通过sdk协议传输给激光雷达，使激光雷达的点云数据带有时间标签；嵌入式微控制器还接收高精度电机返回的角度数据同时附上虚拟gnrmc/gprmc时间并传输给计算机，使得计算机得到带有时间标签的角度数据。
28.其中，数据处理模块在对数据进行点云配准时，采用多站点云数据整体配准以得到完整的环境点云，为了获取完整点云，以时间标为索引，通过对标时间标签，使点云帧数据旋转对应的角度，进而实现点云的配准。具体分为：
29.粗配准，点云数据粗配准是在缺少初始位姿信息的情况下，将两片点云大致粗略的配准到一个坐标系，为精配准提供良好的初始值，该地基激光雷达测量系统配备指北针和水准气泡，使得每站扫描启动阶段回到指北针初始位置，保证扫描初始指北有统一的初始方向，结合北斗/gnss模块提供的北斗/gnss测站信息，将多站点云坐标转换到同一坐标系下；
30.精配准，粗配准让待配准的两片点云位姿尽可能的靠近，可减少待配准点云平移和旋转误差。但还需要进一步配准算法将两片点云的重合部分进行整合，从而实现精细配准。精配准的目的是在粗配准的基础上让点云之间的空间位置差别最小化。文中通过罗德里格矩阵计算各个站点的旋转矩阵以及同名点坐标作为整体平差的参数初值，通过光束法平差模型解算空间变换参数及未知点平差值。检验各个约束误差，若小于规定阈值，输出配准结果；若误差过大，通过权函数重新计算各约束的权值，直至满足精度要求，停止迭代并输出配准点云。
31.其中，终端系统为实时点云处理与可视化系统，其由点云数据传输模块、点云数据预处理模块、gis分析模块、功能管理模块、三维场景模块、三维比对模块组成。
32.其中，gis分析模块用于对点云数据进行可视域分析、淹没分析和坡度分析，所述功能管理模块用于对点云数据进行数据加载、测距和动态监测。
33.其中，终端系统还包括具有多细节层次的3dtiles瓦片结构，用于将一个大的场景文件进行场景分割分块，形成具有多细节层次的场景散列文件，分块分层地去渲染和调度，三维瓦片的构建是海量数据可视化的前提条件，只有将一个大的场景文件进行场景分割分块，形成具有多细节层次的场景散列文件，才能分块分层地去渲染和调度。目前三维瓦片构建过程大概分为场景分割和瓦片数据转换两个步骤。因此首先对三维场景进行八叉树分割生成具有多细节层次的许多场景散列文件，接着利用c++编程语言将这些场景散列文件转化为3dtiles所支持pnts瓦片数据格式，最后将每个瓦片数据的包围盒、旋转矩阵、几何误差等信息按照八叉树空间数据结构组织生成瓦片集json数据，最终生成具有多分辨率层次的三维瓦片数据格式。
34.本实施例的具体使用方式与作用：
35.通过将5g通讯技术与北斗/gnss定位模块相结合研制了一款价格低廉，携带方便的地基激光雷达测量系统，该测量系统可以有效解决海量点云远程传输问题，可为文化遗产数字化保护、建构筑物高精度实时监测、智慧城市和数字孪生等数字化发展提供数据支持，具有广泛的应用价值和较大的经济效益。
36.本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。