船載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈 蔚，惠 笑，崔曉冬*，欒奎峰，朱衛(wèi)東，張 進(jìn)

（1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海河口海洋測(cè)繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 201306）

激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)可以高效、快速地獲取目標(biāo)物的外部信息，目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)。依據(jù)掃描系統(tǒng)載體，該系統(tǒng)可分為機(jī)載、車載和船載3類[1-2]。由于激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，船載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在海岸帶海島礁測(cè)繪、港口碼頭測(cè)量、近岸工程變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。汪連賀[3]使用了奧地利RIEGL公司的VZ1000激光掃描儀與中海達(dá)iStreet影像采集子系統(tǒng)進(jìn)行了海島礁測(cè)量，并將獲取數(shù)據(jù)與RTK數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)行了精度分析。李杰等[4]使用Optech ILRIS-LR激光掃描儀對(duì)海島海岸帶進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)距離測(cè)量，并獲取了三維信息和回波強(qiáng)度信息，實(shí)現(xiàn)了船載掃描系統(tǒng)對(duì)海岸帶信息的高精度采集。本文闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，點(diǎn)云三維坐標(biāo)的解算流程，并對(duì)解算點(diǎn)云進(jìn)行RTK比對(duì)，驗(yàn)證了船載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的較高精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理與硬件組成

對(duì)于船載激光掃描系統(tǒng)而言，通過GPS和IMU獲得航跡上激光發(fā)射中心的空間坐標(biāo)和設(shè)備的空間姿態(tài)，內(nèi)插后可以獲得任何時(shí)刻激光光束的姿態(tài)和發(fā)射中心的空間坐標(biāo)，結(jié)合激光掃描儀獲取的發(fā)射中心到地面物體的距離和掃描角度，可以求得每一個(gè)激光腳印點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的三維建模。

圖1 船載三維激光掃描系統(tǒng)組成

船載移激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)由脈沖激光源、測(cè)距探測(cè)接收器、系統(tǒng)控制處理器和光機(jī)掃描器組成，外聯(lián)IMU、GPS定位系統(tǒng)（如圖1所示）。

（1）本系統(tǒng)的激光掃描儀采用中科院技術(shù)物理研究所研制的船載激光雷達(dá)主機(jī)系統(tǒng)，回波信息包含距離信息、回波次數(shù)、回波脈寬、POS授時(shí)數(shù)據(jù)等。激光掃描儀主要參數(shù)如表1所示，掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)2 000 m，精度可達(dá)4 cm @1 000 m，且可提供100°開角的掃描視場(chǎng)，能夠滿足海上復(fù)雜作業(yè)情況的需要。

（2）IMU傳感器采用Octans Ⅲ光纖羅經(jīng)，能夠提供0.01°精度的橫擺角、縱搖角改正參數(shù)和0.1°精度的航向信息，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 激光掃描系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 Octans Ⅲ光纖羅經(jīng)主要參數(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)安裝

（1）船載測(cè)量系統(tǒng)各傳感器安置在穩(wěn)定的船載平臺(tái)。激光掃描儀開角水平向上最大為52°，向下為48°（如圖2所示）。為避免掃描視場(chǎng)受到干擾，安裝時(shí)需對(duì)儀器進(jìn)行架高。

圖2 激光出射角度示意圖

（2）使用全站儀測(cè)量GPS天線中心和激光掃描儀中心相對(duì)于IMU中心的偏移量，量取IMU直角坐標(biāo)系與激光掃描儀直角坐標(biāo)系三軸的旋轉(zhuǎn)角度。為保證坐標(biāo)解算的準(zhǔn)確性，需對(duì)安置角進(jìn)行檢校[5]。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)由激光掃描儀配套的數(shù)據(jù)采集軟件和自主開發(fā)的點(diǎn)云解算軟件組成。采集軟件可獲取距離信息、回波次數(shù)、回波脈寬、授時(shí)數(shù)據(jù)和掃描角度等。點(diǎn)云解算軟件由IMU處理模塊、GPS處理模塊和點(diǎn)云解算模塊組成。

1.4 工作流程

激光掃描系統(tǒng)各傳感器安裝在穩(wěn)定的船載平臺(tái)[6]，完成測(cè)線布設(shè)、GPS基準(zhǔn)站架設(shè)和偏移參數(shù)測(cè)量后，進(jìn)行船載測(cè)量。GPS基準(zhǔn)站的開機(jī)時(shí)間應(yīng)早于POS設(shè)備的開機(jī)時(shí)間、晚于POS設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)間。獲取IMU與GPS數(shù)據(jù)內(nèi)插后，結(jié)合激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，可進(jìn)行三維坐標(biāo)的解算工作。完整的船載測(cè)量系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 船載測(cè)量系統(tǒng)工作流程

2 點(diǎn)云解算

從激光雷達(dá)的原始測(cè)距信息到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，主要分為兩個(gè)階段：第一階段為時(shí)間匹配，第二階段為坐標(biāo)計(jì)算[7]。

2.1 時(shí)間匹配

由于船載激光雷達(dá)的采集頻率遠(yuǎn)高于GPS和IMU傳感器，需要對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插后得到任意時(shí)刻激光波束的姿態(tài)信息和空間位置信息。結(jié)合回波的距離信息和掃描角度，可準(zhǔn)確求得激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。嚴(yán)格的時(shí)間匹配是坐標(biāo)解算的前提[8-9]。

2.2 坐標(biāo)解算

坐標(biāo)解算涉及多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，激光雷達(dá)坐標(biāo)系、IMU坐標(biāo)系、當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系和WGS84坐標(biāo)系[10]。解算前需量取GPS和激光掃描儀相對(duì)于IMU的坐標(biāo)中心偏移量，以及激光掃描儀與姿態(tài)傳感器之間的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角。坐標(biāo)解算表達(dá)式為：

式中：X84,Y84,Z84為POS系統(tǒng)的GPS天線中心的WGS-84坐標(biāo)，RL為激光的旋轉(zhuǎn)矩陣。設(shè)激光波掃描儀到目標(biāo)物的距離為D，激光掃描儀瞬時(shí)坐標(biāo)系到激光掃描儀直角坐標(biāo)系束在瞬時(shí)坐標(biāo)系下的出射角為θ，則RL的表達(dá)式為：

在IMU直角坐標(biāo)系中，船舶航行方向?yàn)閄軸，Y軸為激光掃描方向，Z軸與XOY構(gòu)成右手系，垂直于XOY面向上。ΔXGI,ΔYGI,ΔZGI為GPS天線中心到IMU傳感器中心的偏移量；ΔXLI,ΔYLI,ΔZLI為激光掃描儀中心到IMU中心的三個(gè)軸的偏移量。RLI為激光掃描儀直角坐標(biāo)系到IMU直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，需進(jìn)行檢校，獲取精確的安置角，RLI為：

RIN為IMU直角坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由IMU提供的roll,pitch,heading三個(gè)參數(shù)構(gòu)成，形式與RLI一致，roll,pitch,heading分別對(duì)應(yīng)式中的α,β,γ。

R為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系到WGS-84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，公式為：

式中：B,L,H分別是緯度、經(jīng)度和海拔高。

3 精度分析

為檢驗(yàn)船載激光掃描系統(tǒng)精度，本文開展了某河道船載移動(dòng)激光掃描實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過完整的采集和處理流程后得到的三維點(diǎn)云如圖4所示。對(duì)船載激光掃描儀獲取的特征點(diǎn)坐標(biāo)與RTK實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)（如圖5所示），其平面誤差，X方向上最大誤差為0.07 m，中誤差為0.020 5；Y方向最大誤差為0.06 m，中誤差為0.023 2。高程誤差，Z方向上最大誤差為0.09 m，中誤差為0.024 3。高程誤差略高于平面誤差。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算結(jié)果

圖5 精度評(píng)定檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文首先闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的工作流程；并對(duì)解算的點(diǎn)云坐標(biāo)與RTK實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，其平面和高程最大誤差不超過9cm，驗(yàn)證了船載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的較高精度。通過實(shí)驗(yàn)研究證明，本文設(shè)計(jì)的船載激光掃描系統(tǒng)，軟硬件性能可靠，數(shù)據(jù)精度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可廣泛應(yīng)用于海岸帶、海島礁、港口碼頭、航道、橋梁測(cè)繪等領(lǐng)域。