車載式近景目標三維測量系統及方法
2023-09-27 07:49:10 4
專利名稱：車載式近景目標三維測量系統及方法
技術領域：
本發明屬於測繪領域，尤其涉及三維測量系統，主要服務於「數字城市」工程。
背景技術：
「數字城市」建設的關鍵在於城市空間信息的獲取、管理和更新，城市空間信息具有位置性、多維性和時序性。數據是信息的載體，所以說，城市空間信息的位置性、多維性和時序性，決定了城市空間數據應具有一定的位置精度、時間精度以及完整的空間坐標和描述形式。因而，空間數據快速採集是「數字城市「工程的關鍵技術。
至今為止，空對地數據採集已發展有機載和星載的高解析度、高光譜和雷達觀測技術，但仍未解決城市高層建築遮擋區、高層建築物立面、多層建築複雜結構的信息獲取，以及城市和眾多工程建設所需的高速度、高精度的三維測量問題。
發明內容
本發明的目的是，為解決高精度的城市三維測量問題，提供一種車載式近景目標三維測量系統及利用該系統進行數據外業採集和數據內業處理的方法，以滿足「數據城市」和各種工程建設的需要。
本發明的三維測量系統是一個可移動測量車，它是在移動車輛頂部安裝測量平臺，平臺上安裝數據採集傳感器，傳感器包括CCD數位相機、雷射掃描儀和三個GPS接收天線，上述傳感器的信號線接入車輛室內的採集控制系統；採集控制系統是由工業控制計算機、單片機和GPS接收板組成，其中三個GPS接收天線接入車內的GPS接收板構成GPS接收機，接收機接收的GPS信號經單片機處理成GPS文件，通過工控機串口傳輸給工控機硬碟。
雷射掃描儀信號輸出線通過並行或串行接口接入工控機，工作時將被側物的距離數據和角度數據傳輸給工控機硬碟；CCD數位相機的信號輸出線從工控機擴展的並行接口接入工控機，工作時將被測物的三維圖像照片數據傳輸給工控機硬碟，數位相機的控制線接入單片機，由單片機控制相機的自動或半自動拍攝動作。
另外，本系統還包括電源系統一套，用於向採集器和控制設備提供電源。它包括與車載電瓶並接的同容量電瓶和逆變電源，用於向工控機和數位相機提供220V交流電，再經開關電源分別向GPS和單片機提供12V直流電，另附加船載電瓶一塊，專供掃描儀12V直流電源。
本發明採用以下測量方法。
一、對城市近景目標的三維數據進行外業採集1.將一臺GPS接收機安置在已知坐標控制點上作為差分站；2.讓測量車停在某一起始點，使掃描儀及數位相機鏡頭對準被測物立面，GPS接收機靜態採集數據五分鐘左右，以保證車載GPS相對定位；3.再讓測量車以9-18km/小時速度沿被測物終點方向行駛，GPS接收機連續跟蹤所有可見衛星接收位置信號，同時啟動掃描儀和數碼像機對被測物進行掃描和攝像工作；4.測量車在行駛中GPS接收機動態採集位置數據；掃描儀對建築物連續掃描，採集被測物距離數據和角度數據；數位相機每1-5秒對建築物攝影一次，採集被測物三維圖像數據，並同時記錄攝像時間；5.測量車行駛到測量終點時停止行駛，掃描儀和數位相機停止工作，GPS接收機繼續靜態採集數據五分鐘；將上述採集的GPS數據、掃描數據、影像數據分別以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存儲在工控機儲存器資料庫中。
二、將外業採集的數據文件從工控機中讀到室內計算機資料庫進行內業處理1.首先從資料庫中讀取GPS文件，動態差分解算各曆元基線和天線坐標，解算各曆元車載平臺的航向角(α)、仰俯角(β)、橫滾角(κ)、運行速度，以及掃描儀掃描中心坐標和相機物鏡坐標(X、Y、H)；再對以上數據進行空間整合、時間整合、姿態改正等解算。
2.再從資料庫中讀取掃描儀的LMS文件，基於GPS數據對其進行處理，將地形數據與地物數據分離，並對地形數據濾波(去除噪聲、遮擋物影響)，對建築物連續掃描的斷面整體匹配、糾正，生成LMS數據表；再對LMS數據表的數據進行點雲計算、斷面處理、特徵點探測、建模點提取，生成點雲數據表；3.將點雲數據表單片建模或立體像對建模，生成三維模型數據表。並從點雲數據表中提取建築物平面特徵生成建築物一般三維模型。
4.當需要三維建模時，讀取數位相機拍攝的影像CCD文件生成CCD數據表，通過影像糾正生成DSM紋理數據表；利用上述內業處理生成的三維模型數據表、建築物一般三維模型和DSM紋理影像數據表，依據不同的空間建模方法，建立城市建築物「真實」的三維模型。
採用以上技術方案所產生的積極效果1.採用車載移動式測量系統，車上除裝有雷射掃描儀、數位相機，還裝載GPS定位系統。這種裝置在進行工作時，所採集的目標三維數據是地理坐標框架中的數據，從而使測量工作達到快速、高效和地理坐標系統的統一。
2.將三架GPS天線安置在車頂不同位置，根據「三點定面」原理，用以準確的確定掃描儀的位置、移動速度和姿態，避免了數據採集前的控制測量工作，從真正意義上實現了移動地理坐標框架的構想。
3.將汽車的行駛作為數據採集的運動維，二維雷射掃描儀在汽車運行的垂直面內對物方進行掃描，構成三維數據採集系統，這是一種設計新穎的地基遙感系統。
4.採用掃描儀和紋理攝影測量技術相結合的方法，解決了數字表面模型與影像紋理的精確配準和疊加問題。
5.基於雷射掃描儀提供的建築物幾何尺寸，再應用數字相片建立建築物表面模型的方法，具有效率高、精度適宜、適用性強等特點。
圖1為測量系統示意圖。
圖2為系統硬體結構圖。
圖3為電源系統結構框圖。
圖4為系統工作流程圖。
圖1中1-移動車輛，2-GPS接收天線，3-數位相機，4-雷射掃描儀，5-測量平臺，6-工控機箱。
具體實施下面根據附圖對本發明作進一步的描述。
由圖1圖2所示，本系統是在移動車輛1的頂部安裝固定測量平臺5，平臺5的三個不同位置安裝三個GPS接收天線2，在平臺5上安裝雷射掃描儀4和兩臺數位相機3，數位相機3豎向排列，通常情況下一臺工作，當遇到高大建築物時，另一臺處於仰視角度工作。在車輛室內安裝一臺工業控制計算機，並將一單片機和GPS-OEM板安裝在工控機機箱6中。工業控制計算機另擴展IEEE-1394並行接口板一個，用於數位相機3的圖像採集和控制；另擴展串行接口擴展板一個，用於GPS接收板、掃描儀4以及相機3的數據傳輸。單片機通過串行接口連接在工控機上，通過同步連線與數位相機3、GPS接收板連接在一起，並連接到1394總線上。它用於發送GPS同步控制信號，用於給GPS提供接口引出和電源支持，並用於接收工控機的指令，控制相機自動或手動拍攝。雷射掃描儀4通過串行接口連接在工控機上，採集的距離數據和角度數據從並口傳輸，傳輸率為44K。數據格式為存儲格式為二進位文件，要求以存儲時刻的工控機時間為文件名進行存儲。三個GPS接收板通過串行接口連接在工控機上，採集的數據從串口傳輸，傳輸率為115.2Kbps，存儲方式為二進位，要求以存儲時刻的工控機時間加GPS編號為文件名進行存儲。GPS接收板輸出的數據包括三個GPS的導航電文，各曆元的載波相位觀測值以及雷射掃描儀數據記錄的時間(同步時間)。數位相機3採集的圖像數據從工控機擴展的接口板接口傳輸，傳輸率為2M-140M Kbps，圖像為多幅，以一次拍攝的多張圖片為單位進行存儲，以傳輸時刻的工控機時間作為目錄名稱進行存儲，以相機統一編號為文件名進行存儲。
本系統在實施中採用研華6179V工控機作為主控制平臺，其配置情況是CPUPIII-850RAM256MDDR HDIBM-40GB；單片機採用89C2051；GPS接收板採用NovAtelDL-4-L1-L2；數位相機3採用尼康DIX數位相機；雷射掃描儀4採用Rigal公司的LMS-Q140i-80型掃描儀。
由圖3可知，本發明實施例的供電系統是這樣實現的採用本車的車載電瓶和並聯一附加電瓶為供電電源，在工作過程中由車輛發電機對電瓶的電量進行補充。由於工控機需要220V交流電源，GPS接收板、掃描儀4需要12V直流，單片機需要5V直流，相機3則需要以上三種電壓，故採用UPS逆變器，將車載12V直流電逆變為交流220V為工控機供電，再通過開關電源分別對GPS板和單片機供電。這樣不僅在汽車啟動時可以充分的保護其他電器不受衝擊電流的破壞，在停車時可以方便地通過UPS的充電功能對車載電瓶進行充電。當汽車電瓶電壓過低不足以提供逆變器工作時，系統會通過報警器示意，提示啟動汽車或關閉系統。由於掃描儀4是所有傳感器中耗電最大的，並且對電壓穩定性有較高的要求，因此增加船載電瓶一塊，專門對掃描儀4供電。這樣，系統在不充電的情況下可以運行大約30分鐘，若啟動汽車邊充電則可以一直運行。
圖4是整個系統的數據採集存儲與處理過程。詳細描述如下一、外業採集工作開始，移動測量車從起始點靜態採集GPS信號五分鐘，後開始沿被測物行駛，動態採集GPS信號，同時掃描儀和數位相機開始工作，至被測物終點停止後，將上述採集的GPS數據、掃描數據、影像數據分別以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存儲到工礦機資料庫中。其中LMS掃描數據文件格式為每列為一個指標，每行為一條記錄，一行表示線列中一個點的各指標值，包括點號、射距、振幅、角度、時間。
二、內業處理1、讀取GPS文件，使用GrafMov數據處理程序進行解算，得到各曆元的6個外方位元素即坐標(X、Y、H)、姿態參數航向角(α)仰俯角(β)橫滾角(κ)；再按面分組、進行內插擬合處理得到掃描儀每一掃描時刻掃描中心的坐標(X、Y、Z)和姿態參數(α、β、γ)生成GPS數據表。在上述GPS數據處理時，利用基準站與主天線之間的觀測數據進行差分單曆元解算主天線的坐標；採用適合姿態測量的模糊度OTF解算方法，用相位平滑偽距分解和固定短基線提供模糊度搜索中心；用單曆元解算GPS平臺的姿態，進而求得掃描儀每一掃描時刻的姿態(a、β、γ)和掃描中心的坐標。最後對以上數據進行空間整合、時間整合、姿態改正等解算目標點坐標，最終生成GPS數據表。
上述原始數據匹配原則根據數據採集時間的同步信號為基準，以時間標誌進行數據匹配。掃描儀每秒採集40×220點，GPS曆元間隔最小可至0.05秒，根據掃描儀記錄時間自動內插6個外方位元素。對於直線運行軌跡，採用線性內插，對於折線運行軌跡，採用多項式或分段B樣條內插。
2、從資料庫LMS文件中讀取雷射掃描儀原始數據。首先將地形數據與地物數據分離；分離後對地物數據進行濾波，去除測量噪聲、遮擋物如樹木等影響，得到建築物原始數據；再根據建築物特徵，對連續掃描的雷射測量斷面進行整體匹配糾正，得到建築物二維平面特徵數據。
再從資料庫GPS數據表中調出坐標信息，結合坐標信息對二維平面特徵數據進行處理，處理後的數據共四列，第一列為時間信息，第二、第三、四列分別為X、Y、H值；姿態參數對應位置數據，也是四列，後三列分別為航向角(α)、俯視角(β)、橫滾角(γ)，從而得到反映建築物表面幾何特徵的三維掃描坐標；生成LMS數據表。
3、接著運行LMS數據處理程序對LMS數據表進行點雲計算、斷面處理、特徵點探測、生成點雲數據表。該數據表在原始數據的後面追加六列，前三列分別為各掃描點經過空間整合以後的X、Y、H坐標；後三列分別為經過姿態改正以後的三維坐標X、Y、H。
4、從點雲數據表中提取建築物平面特徵數據，生成建築物一般三維模型，或從點雲數據表中提取單張像片或立體像對數據進行建模，利用絕對定向及視差結果求出目標框架中特徵點，最終生成三維模型數據表。
讀取CCD影像數據生成CCD數據表，根據坐標起算基準對目標影像糾正，通過控制點，將影像進行垂直影像的糾正，消除投影誤差，利用紋理攝影測量技術，將數字表面模型與攝影紋理進行精確配準併疊加，生成DSM紋理影像數據表。
利用上述內業處理的建築物一般三維模型、三維模型數據表、DSM紋理影像數據表依據三維空間建模方法的不同，可實現以下功能1.利用建築物一般的三維模型，再輔於DSM紋理影像數據，來建立「真實」的三維模型。
2.在沒有定位控制基準的前提下，在DSM紋理影像數據表的基礎上，通過立體像對的空間關係建立初步三維模型，再引入其它相對控制條件來建立「真實」的三維模型。
3.在三維模型數據表和DSM紋理影像數據表基礎上，通過空間的起算基準數據，解算出基於起算基準的空間三維坐標，來建立真實的三維模型。
4.還可利用遙感或航空影像與地面控制點解算和提取模型框架的三維坐標，再輔於DSM紋理影像數據，來建立「真實」的三維模型。
權利要求
1.一種車載式近景目標三維測量系統，它包括一輛可移動測量車，其特徵是在移動車輛頂部安裝測量平臺，平臺上安裝數據採集傳感器，傳感器包括CCD數位相機、雷射掃描儀和三個GPS接收天線，上述傳感器的信號線接入車輛室內的採集控制系統；採集控制系統是由工業控制計算機、單片機和GPS接收板組成，其中三個GPS接收天線接入車內的GPS接收板構成GPS接收機，接收機接收的GPS信號經單片機處理成GPS文件，通過工控機串口傳輸給工控機硬碟；雷射掃描儀信號輸出線通過並行或串行接口接入工控機，工作時將被側物的距離數據和角度數據傳輸給工控機硬碟；CCD數位相機的信號輸出線從工控機擴展的並行接口接入工控機，工作時將被測物的三維圖像照片數據傳輸給工控機硬碟，數位相機的控制線接入單片機，由單片機控制相機的自動或半自動拍攝動作。
2.如權利要求1所述的車載式近景目標三維測量系統，其特徵是還包括與車載電瓶並接的同容量電瓶和逆變電源，用於向工控機和數位相機提供220V交流電，再經開關電源分別向GPS和單片機提供12V直流電，另附加船載電瓶一塊，專供掃描儀12V直流電源。
3.一種如權利要求1所述的車載式近景目標三維測量系統的外業採集方法，其特徵是包括以下步驟(1)將一臺GPS接收機安置在已知坐標控制點上作為差分站；(2)讓測量車停在某一起始點，使掃描儀及數位相機鏡頭對準被測物立面，GPS接收機靜態採集數據五分鐘左右，以保證車載GPS相對定位；(3)再讓測量車以9-18km/小時速度沿被測物終點方向行駛，GPS接收機連續跟蹤所有可見衛星接收位置信號，同時啟動掃描儀和數碼像機對被測物進行掃描和攝像工作；(4)測量車在行駛中GPS接收機動態採集位置數據；掃描儀對建築物連續掃描，採集被測物距離數據和角度數據；數位相機每1-5秒對建築物攝影一次，採集被測物三維圖像數據，並同時記錄攝像時間；(5)測量車行駛到測量終點時停止行駛，掃描儀和數位相機停止工作，GPS接收機繼續靜態採集數據五分鐘；將上述採集的GPS數據、掃描數據、影像數據分別以GPS文件、LMS文件、CCD文件形式存儲在工控機儲存器資料庫中。
4.一種如權利要求1所述的車載式近景目標三維測量系統的內業處理方法，其特徵是包括以下步驟(1)首先從資料庫中讀取GPS文件，動態差分解算各曆元基線和天線坐標，解算各曆元車載平臺的航向角(α)、仰俯角(β)、橫滾角(κ)、運行速度，以及掃描儀掃描中心坐標和相機物鏡坐標(X、Y、H)；再對以上數據進行空間整合、時間整合、姿態改正等解算；(2)再從資料庫中讀取掃描儀的LMS文件，基於GPS數據對其進行處理，將地形數據與地物數據分離，並對地形數據濾波(去除噪聲、遮擋物影響)，對建築物連續掃描的斷面整體匹配、糾正，生成LMS數據表；再對LMS數據表的數據進行點雲計算、斷面處理、特徵點探測、建模點提取，生成點雲數據表；(3)將點雲數據表單片建模或立體像對建模，生成三維模型數據表，並從點雲數據表中提取建築物平面特徵生成建築物一般三維模型；(4)當需要三維建模時，讀取數位相機拍攝的影像CCD文件生成CCD數據表，通過影像糾正生成DSM紋理數據表；利用上述內業處理生成的三維模型數據表、建築物一般三維模型和DSM紋理影像數據表，依據不同的空間建模方法，建立城市建築物「真實」的三維模型。
全文摘要
本發明公開了一種車載式近景目標三維測量系統及方法，它包括一輛移動測量車，其特徵是在移動車輛頂部有測量平臺，平臺上有數據採集傳感器，傳感器包括CCD數位相機、雷射掃描儀和三個GPS接收天線，傳感器的信號線接入採集控制系統，三個GPS接收天線接入GPS接收板，雷射掃描儀信號輸出線通過並行或串行接口接入工控機，CCD數位相機的信號輸出線從工控機擴展的並行接口接入工控機，數位相機的控制線接入單片機。測量時系統先對城市近景目標的三維數據進行外業採集，然後將外業採集的數據文件從工控機中讀到室內計算機資料庫進行內業處理。其優點是測量效率高，測量工作快，精度適宜，適用範圍廣。
文檔編號G01B11/03GK1877253SQ20051004372
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月9日 優先權日2005年6月9日
發明者盧秀山, 李清泉, 李成名, 陳映鷹, 馮文灝, 靳奉祥, 李貽斌 申請人:山東科技大學, 武漢大學, 同濟大學, 中國測繪科學研究院