《船載三維激光掃描數(shù)據(jù)時空配準方法研究》.pdf

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1、第38卷第3期現(xiàn)代測繪Vo1．38，No．32015年O5月ModernSurveyingandMappingMay2015船載三維激光掃描數(shù)據(jù)時空配準方法研究王勝平，周豐年，劉大偉。，王馳。，許劍，林永達(1．東華理工大學測繪工程學院，江西南昌330013；2．長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，上海200136；3．南京水利科學研究院，江蘇南京210029)摘要由于海洋測繪中存在灘涂測量、崩岸、潛堤測量和水邊線測量等困難，船載三維激光掃描技術比傳統(tǒng)測量手段更快且更安全，測量精度已經(jīng)可以滿足大部分水上測量的精度要求，因而得到廣泛青睞。船載三維激光點云數(shù)據(jù)

2、的時空配準對測量結(jié)果至關重要，對此，介紹了基于多傳感器融合的船載三維激光測量系統(tǒng)組成與工作原理，闡述了數(shù)據(jù)的時空配準過程，獲取了精確的掃描數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作提供支撐。關鍵詞船載三維激光掃描時間配準空間配準中圖分類號：P237文獻標識碼：A文章編號：1672—4097(2015)03—0007—041引言近年來，快速發(fā)展的慣性導航系統(tǒng)通常被用于li移動測量系統(tǒng)中以協(xié)調(diào)其他測量設備之間的工作，從而組成如機載、船載、車載等移動式三維激光測

3、’I／＼_I一l～．．．．．量系統(tǒng)。船載三維激光掃描系統(tǒng)因其自動化程度高、測量速度快、運行成本低、可降低人工測量危險1．隕導；2

4、．三維激光掃描儀；3．GPS接收機l；等優(yōu)點，是測繪領域測量技術發(fā)展的新方向。將工4．GPS接收機2；5．計算機；+—已知的安裝參數(shù)作原理、時空配準、工作配準三個角度作為研究重圖1船載三維激光集成系統(tǒng)點，本文用多傳感器融合的船載三維激光測量系統(tǒng)2．2數(shù)據(jù)采集與記錄對某一測區(qū)進行測量，試圖找出最佳時空配準方法。數(shù)據(jù)采集前必須先啟動慣導進行作業(yè)，精度穩(wěn)2船載三維激光集成系統(tǒng)簡介定后開始采集數(shù)據(jù)，測量完畢后再關閉慣導，可保證所測數(shù)據(jù)都配有姿態(tài)數(shù)據(jù)。通過VS軟件編寫兩2．1系統(tǒng)組成與原理個串口軟件，分別讀取GPS接收機的實時位置數(shù)據(jù)如圖1所示，該系統(tǒng)由三維激光掃描儀

5、、GPS和慣導帶UTC時間的姿態(tài)數(shù)據(jù)。主要使用Serial—接收機和慣導組成，所有傳感器都牢牢固定在穩(wěn)定Port類定義串口編號、波特率、標準停止位數(shù)、標準平臺上以保證傳感器與平臺的運動完全同步。儀數(shù)據(jù)位長度和奇偶校驗檢查協(xié)議，設置提取所需器安裝之間有明確的相對位置，主要用于多套坐標UTC時間、實時坐標數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)條件，用以進系統(tǒng)間的相互轉(zhuǎn)換。三維激光掃描儀主要負責實行所需數(shù)據(jù)的提取、記錄和保存。時測量目標點的水平角、垂直角和距離信息以形成點云數(shù)據(jù)進行記錄，GPS接收機1主要獲取這套移3數(shù)據(jù)配準動系統(tǒng)的實時坐標，GPS接收機2為慣導提供GPS3．1時間配準時

6、間基準，慣導則實時記錄移動測量系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)GPS提供的位置信息和慣導提供的姿態(tài)3．1．1時間基準統(tǒng)一信息最終可在GPS時間系統(tǒng)下解算出激光掃描點一般來說，由于慣導、三維激光掃描儀、GPS都云在指定坐標系統(tǒng)下的坐標。整個系統(tǒng)由計算機有自己獨立的時間系統(tǒng)：GPS與慣導時間系統(tǒng)是聯(lián)機控制、處理和記錄。UTC時，它是綜合了原子時和世界時兩種時間系統(tǒng)各自優(yōu)點的新時間；而三維激光掃描儀使用的是GPS時間系統(tǒng)。要讓這些設備同步工作必須要把他們統(tǒng)一到同一時間基準里從而達到時間同步。*項目來源：國家自然科學基金資助項目(41206078)；江蘇省測繪地理信息科研項目(

7、JSCHKY201408)；水利部“948”項目(201404)；江西省自然科學基金資助項目(20142BAB217025)；南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(YN914002)8現(xiàn)代測繪第38卷為了滿足精密導航與船載三維激光測量的需要，宜采用時間尺度均勻、準確度、穩(wěn)定度高的GPS時間系統(tǒng)作為時間基準。結(jié)合慣導具有外聯(lián)設備進行同步工作的功能，首先使用GPS接收機為它提供UTC時間，當提供實時坐標的GPS接收機具有UTC時，可以先把位置坐標文件和慣導姿態(tài)數(shù)據(jù)以UTC時間作為基準進行配準，再根據(jù)UTC時與GPS時的常數(shù)差把它們

8、統(tǒng)一到三維激光掃描儀GPS時間基準上進行同步。但是GPS時沒有引入閏秒，隨著時間的積累，UTC的閏秒使GPS時和UTC時間表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍的差異，這種差異要通過如下公式進行求解：GPS一唧+t(1)式中t為閏秒，其值由國際地球自轉(zhuǎn)服務中心(IERS)發(fā)布，目前取值為16S。3．1．2數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理需要刪除多余無效數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的GPS位置信息數(shù)據(jù)、慣導姿態(tài)數(shù)據(jù)和三維激光點云數(shù)據(jù)可分別知道三個數(shù)據(jù)起始時間和結(jié)束時間。取三者起始時間中最大的作為每個時間起始截取點，取結(jié)束時間最小的作為每個時間結(jié)束截取點，這樣就可以把它們的有效數(shù)據(jù)提取出來，使數(shù)據(jù)記錄時間統(tǒng)

9、一對齊。3．1．3數(shù)據(jù)內(nèi)插時間配準的目的是讓每個激光