车载移动测量系统集成关键技术研究

 本论文是本人近年来在车载多传感器集成的移动测量系统研究与开发的总结和升华，主要创新点体现在以下几个方面：
1）完整地研究了多种模式下的移动测量系统集成方法，构建了基于激光扫描和高分辨率全景成像的城市测量的静动态一体化解决技术。
在分析车载移动测量系统的体系构架以及多种模式移动测量系统功能和需求的基础上，本文设计并实施了面向城市测量、面向空间信息采集与发布及基于立体影像的移动测量系统硬件集成方案和软件集成方案，该设计方案和实践对当前车载移动测量系统软、硬件的进一步集成研究具有良好的引导作用。
研制了国内首款基于激光扫描和全景成像的高精度城市空间信息一体化快速获取系统，可实时完成载体的GPS定位、位姿解算、城市三维空间信息的激光点云数据及全景影像数据的采集，实现了集二、三维激光点云数据和影像于一体的测绘新服务模式，为城乡测绘作业提供了一整套便捷高效的静动态一体化解决方案。同时，该系统打破了国外厂商对车载激光扫描集成的技术垄断和价格垄断，顺利实现车载系统的国产化，可促进我国测绘技术装备和城市测绘技术的进步。
2）研制高精度的GPS时钟同步控制器和集成控制系统。
在详细分析了GPS时空特性、多传感器的时空特性和各种传感器同步控制方法基础上，提出了GPS同步时钟控制原理，并基于此设计了车载同步控制器硬件。设计并实施了整个系统的时空同步控制及同步数据采集方案，该方案对多传感器集成系统的时空同步设计具有现实的指导意义。
3）研发了全景成像系统硬件及软件，达到了工程化的水平。
在分析和研究全景成像技术的基础上，自主研发了基于多台彩色工业CCD相机的高动态特性全景相机及其配套软件，适合于面向城市测量的激光扫描与全景成像的移动测量系统；自主研发了基于微型单反相机的高分辨和高色彩还原性的全景相机，满足面向空间信息采集和发布的移动测量系统需求，从而为城市大范围全景影像或场景纹理信息的快速采集提供了全新高效的技术手段。
4）车载移动测量系统的整体的高精度标定技术。
在分析移动测量系统各种测量方式的相对测量和绝对测量原理的基础上，建立了立体影像、激光扫描、全景成像和点云融合等测量模型，建立了立体影像测量、激光扫描测量、全景成像和点云融合标定模型，设计和建立了三维激光扫描和全景成像联合标定场，并开发了联合标定软件，完成系统的整体标定，实现了激光点云与全景影像的高精度异源数据配准和融合。
经移动测量成果的第三方外业抽检，动态测量精度满足城市测量规范精度要求，动静态测量精度达到了浙江省1:500及以上数字地形图测量规范精度要求。比较系统地解决了车载测量系统的整体标定问题。
摘要
城市三维空间信息的快速获取是当今测绘研究领域的热点之一，随着社会发展与进步，现代城市及基础建设发展日新月异，要求高效率(快)、大面积（广）、高精度（精）和全面生动（真）地获取城市空间信息数据，传统的以全站仪为主要手段的城市测量劳动强度大、作业效率低，难以满足城市空间信息获取快、广、精、真的需求；而车载移动测量系统的出现为高效率、大面积、高精度的获取城市空间信息提供了可能，车载移动测量系统是目前最为引人注目的城市空间三维信息获取技术之一。目前，3D Laser Mapping、Appplanix、Riegl等国外公司已实现车载移动测量系统的商业化，但其所售车载移动测量系统价格昂贵，严重阻碍了车载移动测量系统在国内的应用。因此，研究车载移动测量系统的集成具有重要意义。
本论文对车载移动测量系统集成中的各种核心技术进行了广泛而深入的研究，包括车载多传感器时空同步技术、DGPS/INS组合定位定姿技术、车载立体影像量测技术、车载激光扫描技术、车载多传感器的联合标定等。
（一）车载多传感器时空同步技术。时空同步技术是多传感器集成的重要技术，精确的时空同步是车载移动测量系统实现高精度三维空间信息采集的前提。本文分析了GPS、惯导、激光扫描仪以及相机等的时空特性，并采用高稳晶振，设计并实现了一种同步控制器；该同步控制器在作业过程中引入GPS时间系统并在GPS信号中断期间维持该时间系统，能够长时间的实现多传感器的高精度时间同步。
（二）DGPS/INS组合定位定姿技术在车载移动测量系统中的应用。传统摄影测量中，采用布设控制点进行空三加密的方法得到影像的外方位元素；车载移动测量系统中使用组合定位定姿技术，直接为影像提供外方位元素，称为直接地理定位（Direct Georeferencing）技术。本文采用直接地理定位方法，为车载影像与激光扫描数据提供直接地理定位，建立车载影像立体量测模型与车载激光扫描直接地理定位模型。
（三）车载立体影像量测技术。数字相机是车载移动测量系统中的常用传感器，在车载移动测量系统中一般按照特殊的安装方式集成多对数码相机，每对数码相机采集的影像可构成立体像对进行立体量测。车载立体影像量测技术来源于摄影测量，但是又与传统的摄影测量有所区别，本文建立了直接地理定位下的车载立体影像的量测模型并开发了相应的车载立体影像量测软件。
（四）车载激光扫描测量技术。地面激光扫描技术（固定式地面激光扫描）能够高效率、高精度的获取局部区域的三维空间信息，将激光扫描技术应用于车载移动测量系统中，能够解决大范围大区域三维空间信息的快速高效获取。本文将SICK LMS系列激光、Riegl系列激光以及Faro focus 3D激光扫描仪用于车载移动测量系统中，建立了车载激光扫描的绝对定位模型，将“二维”点云重建为三维激光点云，实现大范围三维空间信息的快速高效获取。
（五）车载多传感器集成系统的整体标定。未经整体标定的车载移动测量系统存在多种未知的系统参数，包括相机的主点位置、主距、镜头畸变、相机之间的相对空间关系、相机与激光扫描仪之间的相对空间关系、相机与惯导之间的空间关系以及激光扫描仪与惯导之间的空间关系等。本文在对车载多传感器集成系统中各系统参数深入分析与建模的基础上，利用三维标定场与二维标定板，完成了车载移动测量系统中各未知系统参数的解算，使本文研制的车载移动测量系统的定位精度达到厘米级水平。
在研究车载移动测量系统集成各个核心技术的基础上，本文完成了三种完整的移动测量系统的集成，论文研究的面向面向城市测量的移动测量系统和面向空间信息采集与发布的移动测量系统的软、硬件及应用成果分别已经通过宁波市规划局和国家测绘地理信息局的科技成果鉴定；通过实际工程中的应用与验证也证明，本论文研究成果达到了预期目标。

关键词：移动测量系统；激光扫描；全景成像；立体图像测量；同步控制；系统标定；城市测量；
目录
论文创新点 i
摘要 iii
ABSTRACT v
目录 vii
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 车载移动测量系统技术支撑 2
1.2.1 数字图像传感技术 2
1.2.2 惯性组合定位定姿技术 3
1.2.3 激光扫描技术 4
1.2.4 全景成像技术 4
1.3 移动测量技术国内外发展 5
1.3.1 加拿大卡尔加里大学VISAT系统 7
1.3.2 东京大学车载激光道路测量系统 7
1.3.3 Google公司的街景采集系统 8
1.3.4 RIEGL公司的VMX-250 9
1.3.5 车载移动激光扫描测量系统Lynx 9
1.3.6 车载激光雷达及数字成像系统StreetMapper 10
1.3.7 Earthmine立体全景测量系统 11
1.3.8 Topcon公司的IP-S2系统 11
1.3.9 LD2000-R型系列移动道路测量系统 12
1.4 车载移动测量系统常见模式 12
1.4.1 影像+激光扫描+GPS/IMU方案 13
1.4.2 立体影像+GPS/IMU方案 13
1.4.3 全景影像+激光扫描+GPS/IMU方案 13
1.5 车载移动测量系统发展趋势 13
1.6 本文研究主要内容 14
1.7 本文结构 15
1.8 本章小结 16
第2章 车载移动测量系统集成 17
2.1 车载移动测量系统的体系构架 17
2.2 车载移动测量的系统核心设备 18
2.2.1 组合定位及定姿传感器 18
2.2.2 图像测量传感器 21
2.2.3 激光扫描雷达 22
2.3 车载移动测量中的坐标系统 25
2.4 车载移动测量系统关键技术 27
2.5 车载移动测量的系统硬件集成 28
2.5.1 面向城市测绘的移动测量系统设计 28
2.5.2 面向空间信息采集与发布的移动系统设计 33
2.5.3 基于立体测量的移动测量系统设计 40
2.6 车载移动测量系统的软件集成 43
2.7 本章小结 44
第3章 车载多传感器实时同步数据采集技术 46
3.1 GPS的时空特性分析 46
3.1.1 时间系统 46
3.1.2 时间精度 49
3.1.3 频率准确度 51
3.2 多种传感器时空特性分析 53
3.3 GPS同步时钟控制器设计 55
3.4 传感器同步方法 57
3.4.1 传感器的同步控制方式 57
3.4.2 核心传感器的同步控制方式分析 58
3.5 系统同步控制设计及同步数据采集 65
3.6 本章小结 67
第4章 移动测量系统三维测量技术 68
4.1 组合定位定姿 68
4.1.1 组合定位定姿原理 69
4.1.2 车载系统组合定位定姿实验 74
4.2 基于立体影像的三维测量 81
4.2.1 立体相对测量模型 82
4.2.2 绝对测量模型 84
4.3 车载激光扫描技术 87
4.3.1 车载激光扫描仪工作原理 88
4.3.2 车载激光点云重建 89
4.4 本章小结 93
第5章 全景成像相机集成 94
5.1 全景成像技术原理 94
5.1.1 全景成像简介 94
5.1.2 全景成像模型 95
5.2 全景相机集成 99
5.2.1 基于工业彩色数字相机的全景相机研制 100
5.2.2 基于微单相机的高分辨率全景相机研制 102
5.3 全景影像的生成 103
5.3.1 全景影像生成流程 103
5.3.2 影像畸变矫正 104
5.3.3 投影变换矩阵求解 105
5.3.4 影像融合 109
5.3.5 全景影像拼接实验与分析 110
5.4 本章小结 114
第6章 多传感器系统整体标定 115
6.1 车载立体测量系统相对标定和绝对标定 115
6.1.1 立体相机相对标定 115
6.1.2 立体相机绝对标定 119
6.2 2D/3D一体化激光扫描仪的绝对标定 122
6.2.1 激光标定三维标定场的建立原则 123
6.2.2 激光扫描仪的标定模型及标定参数解算 124
6.2.3 激光扫描仪的标定实验及结果分析 127
6.3 2D路面激光扫描仪的绝对标定 134
6.3.1 2D路面激光扫描仪的标定原则 137
6.3.2 2D路面激光扫描仪的标定原理及标定参数解算 137
6.3.3 2D路面激光扫描仪标定实验与结果分析 139
6.4 车载全景影像与激光点云联合标定 140
6.4.1 全景相机的内标定 140
6.4.2 激光点云与全景影像的高精度配准 145
6.5 本章小结 152
第7章 车载移动测量系统研究成果及工程验证 153
7.1 车载移动测量系统研究成果 153
7.1.1 硬件系统集成成果 153
7.1.2 软件研发成果 156
7.2 车载移动测量系统工程化应用 159
7.2.1 城市部件采集案例 159
7.2.2 建筑竣工测量案例 162
7.2.3 道路竣工测量案例 165
7.2.4 城市三维建模案例 167
7.2.5 全景网络发布案例 169
7.3 本章小结 171
第8章 总结与展望 172
8.1 研究工作总结 172
8.2 未来研究展望 173
参考文献 175