一种无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法和系统

本发明涉及勘测和建筑施工测量，具体的，涉及一种无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法和系统。

背景技术：

1、建筑土方测量是指在建筑工程施工中，对土方工程的体积、面积和高程等参数进行准确的计算和分析，以便于控制工程质量和成本。现有的土方测量方法主要有倾斜摄影、全站仪和rtk（real-time kinematic 实时差分定位）等地面测绘手段，但这些方法存在以下缺点：1、外业工作量大，人力投入大，效率低；2、对于山区、有遮挡的建筑物等复杂地形难以采集有效数据；3、测绘成果单一，仅限于数字线划图，无法提供可视化实景模型；4、倾斜摄影基于视觉图像技术，精度低，对光照条件要求高，高反射表面影响测绘结果。

2、因此，需要一种新的土方测量方法，以提高数据采集效率和精度，同时生成多种测绘成果，满足不同需求。所以，本技术提供的一种无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法和系统具有重要的意义。

3、申请号为“cn201710119737.9”、名称为“一种结合倾斜摄影、rtk和bim技术的土石方测量计算方法”的中国专利公开的方法包括步骤：s1目标区域环境勘察；s2在目标区域四周布设像控点和校验点；s3在目标区域开展飞行设备航摄作业；s4将飞行设备的倾斜摄影图像导入实景成像软件中，经过处理后输出地形的点云数据；s5进行点云数据的校正；s6确认点云数据的精度；s7生成三维地形模型；s8对三维地形模型进行挖、填模拟，计算土石方工程量。该方法提高了土石方测量和计算的效率，使获取的原始数据精度更高，计算的成果数据更准确。但该方法仍是利用倾斜摄影技术，对光照条件要求高，数据采集的精度仍有限，且其三维地形模型与本技术不同。

4、申请号为“cn202010841992.6”、名称为“一种基于三维倾斜摄影技术的土方优化方法及系统”的中国专利公开的基于三维倾斜摄影技术的土方优化方法是利用无人机摄影进行测量区域的地形数据获取；对获取的数据进行处理；进行土方量计算。该方法将传统单点测量模式推进至面式测量模式，结合bim（building information modeling 建筑信息模型）中的civil3d强大的曲面处理功能，采用地形叠合原理生成三维实体，计算土体体积。实现了大面积获取目标表面的点云数据，在数据获取效率、数据采集范围、数据精度、测量作业的安全性和自动化方面实现了全面提升。但该方法仍是利用倾斜摄影技术，对光照条件要求高，数据采集的精度仍有限，且其三维数字地形模型与本技术不同。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够提高数据采集效率和精度、能够同时得到多种测绘成果、且能满足不同需求的无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法。又如，本发明的另一目的在于提供一种能够对山区、有遮挡的建筑物等复杂地形采集有效数据的无人机搭载激光雷达测量建筑土方的系统。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法，所述方法可包括步骤：s1、无人机按照地面控制终端规划出的飞行路线自主飞行；s2、无人机通过激光雷达发射激光脉冲信号、接收反射回来的激光脉冲信号和转化信号得到并存储点云数据；s3、点云数据通过雷达传输至控制终端，终端上运行slam三维重建算法获取待测区域的三维点云模型；slam三维重建算法中全局位姿约束问题采用eskf算法进行优化，slam三维重建算法中实现回环检测以提高位姿的估计精确度；s4、终端上运行土方计算算法，根据三维点云模型计算出待测区域内各个部分或整体的参数，输出结果。

3、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述slam三维重建算法可包括步骤：对imu获取的运动信息，忽略imu的测量噪声并进行预积分，获取先验机体位姿，作为下一时刻的位姿初值与该先验机体位姿估计的协方差矩阵；对点云数据进行降采样后投影至全局坐标系，并在在历史点云地图中搜索该帧点云中每一点对应所在平面，获得点到平面残差向量，进而获得激光雷达的观测方程；利用观测方程计算卡尔曼增益，并更新本时刻的估计状态和协方差矩阵，利用eskf算法迭代求解当前的精确位姿；对当前点云进行描述子计算，并在历史描述子数据库中进行搜索，实现回环检测；对点云数据进行预处理后进行点云拼接和表面重建，将点云数据转换为三维网格或三维体素，形成待测区域的三维点云模型。

4、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述eskf算法可包括步骤：

5、a、在忽略imu噪声的前提下，利用imu的运动输入不断进行下一时刻名义状态的更新，下一时刻名义状态的公式为：

6、；

7、式中，为下一时刻名义状态；为当前时刻的名义状态；为imu测量的时间间隔；为运动模型；为imu的运动输入；为定义在流形上的加法，即用于将运动模型的预测值添加到状态估计值上；

8、b、利用泰勒展开不断预测下一时刻对应的误差状态，同时不断更新误差状态的协方差，该矩阵表明对误差状态估计的不确定性，直至得到下一次观测值时，预测方程将获取到该时刻的名义状态，预测方程为：

9、，

10、；

11、式中，为状态误差向量；为在下一个时间步i+1的状态预测向量；为下一时刻真实状态；表示定义在状态空间流形上的减法运算；为当前时刻的状态；为当前时刻的实际状态与名义状态之间的差异，表示为状态误差；为对的雅可比矩阵；为对噪声的雅可比矩阵；为imu测量的噪声向量；是下一时刻状态误差的协方差矩阵；为当前时刻状态误差的协方差矩阵；为imu测量的噪声矩阵； t表示矩阵的转置；

12、c、当获取一帧点云观测时，利用b步骤中估计的位姿将点云投影至前一帧坐标系下，该过程可表示为，计算点到线或点到面误差，由此获得观测方程，对其进行泰勒展开可得：

13、；

14、式中，为非线性测量模型，将状态向量和测量噪声映射到测量向量空间；为状态向量；为观测噪声；表示当前时刻的状态的估计值；为将观测模型在处进行线性化；为观测模型关于状态向量的雅可比矩阵；为状态误差向量，表示当前时刻的状态与估计值之间的差异；表示观测噪声；表示实际测得的观测值；

15、d、利用步骤c中获得的观测矩阵计算卡尔曼增益，并更新本时刻的估计状态与协方差矩阵，该过程可进行迭代，直至估计状态收敛，此时称为ieskf算法，ieskf算法能够完成对当前时刻状态的精确估计；ieskf算法的公式如下：

16、，

17、；

18、式中，为卡尔曼增益；为状态估计误差的协方差矩阵；为观测模型关于状态的雅可比矩阵；为观测噪声的协方差矩阵；为在滤波过程中更新后的状态估计值；上标为当前的迭代次数；下标k为时间步； t表示矩阵的转置；为当前时刻的观测值；为单位矩阵；为真实状态对误差的雅可比矩阵；为定义在流形上的加法；表示定义在状态空间流形上的减法运算；表示当前时刻的状态的估计值；为在时间步k下，通过滤波算法进行m次迭代后得到的状态向量的先验估计值；该迭代过程3~4次即可收敛。

19、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述回环检测可包括基于单帧-子地图描述子匹配的回环检测算法，所述回环检测算法可包括步骤：a、获取点云数据和前端里程计解算出的位姿数据；b、按照角度变化阈值和位移变化阈值选择关键帧，并将前后两关键帧之间的位姿变换矩阵添加到因子图中；c、对于被选择的关键帧，利用里程计提供的位姿投影到子地图的坐标系下，构建子地图及其sc描述子，并将子地图的位置存储在kdtree中；当地图包含的关键帧达到预定数目，将子地图及对应的描述子加入子地图数据库中；d、利用里程计给出的关键帧对应的位置信息，在kd tree中搜索k个最近的子地图作为候选回环帧；对子地图的序号进行升序排列，每次优先搜索时间较早的子地图；e、将当前帧点云利用里程计给出的位姿变换到子地图坐标系，并获取该坐标系下对应的sc描述子，利用二进制描述子对齐后，与子地图描述子进行相似度判断；若相似性得分低于阈值，则利用cfb-icp算法进行几何一致性验证以获取当前帧与子地图之间的位姿变换矩阵；f、每当因子图中加入新的因子，则执行因子图优化，更新关键帧位姿以及子地图的位姿。

20、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述土方计算算法可包括步骤：将三维点云模型划分为不同的部分，并为每个部分赋予一个标识符以区分待测量的目标区域；对三维点云模型进行量算，计算出每个部分的参数，并将其与标识符对应存储；将当前的三维点云模型与之前的三维点云模型或设计图进行对比，计算出每个部分的变化量和变化率，并将其与标识符对应存储；将计算出的参数、变化量和变化率进行输出。

21、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述预处理可包括降采样、噪点去除以及点云的坐标系变换。

22、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述slam三维重建算法还可包括对三维点云模型进行后处理的步骤，所述后处理可包括修补、平滑和简化。

23、根据本发明一方面的一个或多个示例性实施例，所述飞行路线可包括起飞点、降落点、航点、飞行高度、飞行速度、飞行方向和间隔。

24、本发明的另一方面提供了一种无人机搭载激光雷达测量建筑土方的系统，所述系统可执行上述所述的无人机搭载激光雷达测量建筑土方的方法，所述系统可包括前端传感单元和终端单元，其中，所述前端传感单元包括无人机，三维激光雷达设备、三维空间定位传感器和通讯终端，三维激光雷达设备、三维空间定位传感器和通讯终端安装于无人机上，通讯终端将三维激光雷达设备和三维空间定位传感器采集测量到的三维土方数据传输给遥控装置；所述终端单元包括遥控装置、数据处理装置和集成分析装置，遥控装置规划采集路线、监控采集过程并获取采集信息，数据处理装置建立高精建筑土方测量模型；集成分析装置建立完整高精建筑土方测量模型并对模型进行分析。

25、根据本发明另一方面的一个或多个示例性实施例，所述前端传感单元还可包括数据缓存模块，当通讯中断时，数据缓存模块能够主动存储三维土方数据，通讯恢复后，数据通过通讯终端回传给遥控装置。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中至少一项：

27、（1）本发明提出的系统能够对于山区、有遮挡的建筑物等复杂地形采集有效数据；

28、（2）本发明提出的方法能够生成多种测绘成果，满足不同需求，不限于数字线划图，能够提供有可视化实景模型；

29、（3）本发明提出的方法的精度高，测绘结果准确。