CN103148803B - 轻小型三维激光扫描测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轻小型三维激光扫描测量系统及方法，包括GPS定位系统、惯性导航系统INS、激光扫描仪、数码相机、串口和数据采集计算机；所述GPS定位系统包括相互电连接的GPS天线和GPS接收机；所述GPS接收机、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪均通过所述串口与所述数据采集计算机连接；所述GPS接收机还分别与所述数码相机和所述INS连接。具有成本低、便携性好的优点，尤其适用于对面积在50平方公里左右的小片区、厂区、村庄、城镇等小区域进行数据采集。

Description

轻小型三维激光扫描测量系统及方法

技术领域

本发明属于地理信息数据采集技术领域，具体涉及一种轻小型三维激光扫描测量系统及方法。

背景技术

目前，地理信息数据采集已从传统的二维数据采集转向了对三维空间的数据采集，并且随着相关数据采集技术与手段的快速发展，人们对三维空间信息服务的要求越来越高，即要求拥有不同尺度、不同时间下的三维空间信息，同时在精度与逼真性方面也要求达到一定效果。三维激光扫描技术是最新发展起来的地理信息数据采集技术，可以大量的直接获取目标的真实三维数据，其采集的点云数据可以直接用于被测目标的三维建模，突破了传统单点测量的弊端，以其精度高、速度快、自动化程度高等特点，成为目前地理信息数据采集研究的主要关注点之一。

在地理信息数据采集方面，三维激光扫描仪包括固定式与移动式两种；其中，移动式三维激光扫描仪包括地面移动平台与空中移动平台两类。现有的移动式三维激光扫描仪主要针对大范围、大场景需求的数据采集进行设计的，具有成本高和便携性差的不足，因此，无法高效的对小片区、厂区、村庄、城镇等小区域进行有效的数据采集。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种轻小型三维激光扫描测量系统及方法，具有成本低、便携性好的优点，尤其适用于对面积在50平方公里左右的小片区、厂区、村庄、城镇等小区域进行数据采集。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种轻小型三维激光扫描测量系统，包括GPS定位系统、惯性导航系统INS、激光扫描仪、数码相机、串口和数据采集计算机；所述GPS定位系统包括相互电连接的GPS天线和GPS接收机；所述GPS接收机、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪均通过所述串口与所述数据采集计算机连接；所述GPS接收机还分别与所述数码相机和所述INS连接。

优选的，所述GPS接收机设置1PPS信号线输出接口；所述1PPS信号线输出接口分别连接到所述INS的同步信号接口以及所述数据相机的触发器；和/或还包括供电电源；所述供电电源的输出端通过电源开关分别向所述GPS接收机、所述INS和所述激光扫描仪供电；所述数码相机内置有供电模块，通过所述供电模块向所述数码相机供电。

优选的，所述供电电源为锂电池；所述供电模块为锂电池。

优选的，所述数据采集计算机为平板触摸式工业控制计算机；和/或所述数码相机为CCD数码相机；

还包括箱体；所述GPS接收机、所述INS和所述激光扫描仪集成安装在所述箱体的内部；所述GPS天线和所述数码相机安装在所述箱体的外部。

本发明提供一种应用上述轻小型三维激光扫描测量系统的三维激光扫描测量方法，包括以下步骤：

S1，设置所述GPS定位系统对GPS数据的采集参数、所述INS对INS数据的采集参数和所述激光扫描仪对激光数据的采集参数；

S2，所述轻小型三维激光扫描测量系统设置两种数据接收模式，第一种模式：根据GPS位置开始接收和停止接收数据；第二种模式，未设置根据GPS位置开始接收和停止接收数据；

按设置的所述采集参数，所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集；其中，所述GPS定位系统采集载体的GPS数据；当所述GPS定位系统采集载体的GPS数据时，触发所述数码相机采集目标物体的纹理数据；所述INS采集载体的INS数据；所述激光扫描仪对目标物体进行扫描，采集所述目标物体的激光数据；

如果设置为第一种模式，则需要预先设置起始GPS坐标和搜索距离，当到达所述起始GPS坐标时，所述数据采集计算机开始接收并保存所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据；当超过所述搜索距离时，停止接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据；如果设置为第一种模式，则直接接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据；

S3，所述数据采集计算机对接收到的所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据进行数据后处理，生成所述被测目标的点云数据；

S4，所述数据采集计算机结合所述被测目标的点云数据以及所述纹理数据，生成带有纹理信息的被测目标的三维模型。

优选的，S1中，所述GPS定位系统的采集参数包括：GPS数据的存储路径、GPS停止位、GPS检校位、GPS数据位和GPS数据采集频率；

所述INS的采集参数包括：INS数据的保存格式和存储路径、INS数据的采集频率；

所述激光扫描仪的采集参数包括扫描模式、扫描角度、扫描时长、扫描得到的数据的保存格式和存储路径；其中，所述扫描模式包括连续数据采集模式和固定时间长数据采集模式；其中，所述连续数据采集模式为连续采集被测目标的激光数据，直到采集结束；所述固定时间长数据采集模式为：首先设置激光扫描的时间长度，然后按照所设置的时间长度采集被测目标的激光数据，当达到所设置的时间长度时，终止采集被测目标的激光数据；

优选的，S2中，所述GPS数据包括载体地理坐标信息、载体地速信息以及载体方位信息；所述INS数据包括载体姿态信息、载体位置信息和载体加速度信息。

优选的，S2中，所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集包括：在所述数据采集计算机控制下，所述GPS定位系统向所述INS每秒输出1PPS信号，用于同步所述GPS数据和所述INS数据；同时，所述GPS定位系统向所述数码相机每秒输出1PPS信号，用于触发所述数码相机自动采集目标物体的纹理数据，并且，所述数码相机将采集的所述目标物体的纹理数据存储在自身内置的存储卡内；和/或所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集还包括：所述数据采集计算机采用多线程技术控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪同时进行数据采集。

优选的，S2中，所述数据采集计算机接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据具体为：所述数据采集计算机记录接收到的每一个所述激光数据的接收时间点；所述数据采集计算机记录所述INS数据的最初开始接收时间点，所述最初开始接收时间点用于确定与所述GPS数据的同步时间点。

优选的，S3具体包括以下步骤：

S31，解析所述GPS数据，获得解析后的GPS数据；将所述解析后的GPS数据通过GPS卡尔曼子滤波器并换算至INS中心后，输出经滤波处理后的GPS数据；其中，所述解析后的GPS数据包括载体的时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；所述滤波处理后的GPS数据包括时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；

解析所述INS数据，获得解析后的INS数据；所述解析后的INS数据包括载体的航向角数据、俯仰角数据、横滚角数据以及载体的坐标数据、速度数据、航向数据；

S32，对所述滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据进行数据同步，使所述滤波处理后的GPS数据与所述解析后的INS数据一一对应；

S33，对同步的所述滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据采用卡尔曼滤波进行融合，输出经融合后的被测目标的位置姿态数据；其中，所述位置姿态数据包括位置数据、姿态数据、速度数据、方位角数据；

S34，将所述位置姿态数据换算至激光扫描仪中心后，采用时间插值的方法融合所述激光数据与所述位置姿态数据，生成点云数据。

本发明的有益效果如下：

本发明以重量轻、体积小、成本低的硬件系统集成了轻小型三维激光扫描测量系统及方法，采用数据采集与控制系统设置系统工作参数以及实时接收与保存数据，通过数据后处理生成点云数据以及带有纹理的被测目标三维模型。本发明提供的轻小型三维激光扫描测量系统可搭载于小型地面或空中移动平台，满足快速、机动和低价格的获取被测目标的三维点云数据和纹理的需求，为数字城市建设、城市规划、城市测绘、土地利用情况调查等相关领域的数据采集工作服务。

附图说明

图1为本发明提供的轻小型三维激光扫描测量系统的硬件结构示意图；

图2为本发明提供的轻小型三维激光扫描测量系统的整体结构示意图；

图3为本发明提供的轻小型三维激光扫描测量方法进行数据采集的流程图；

图4为本发明提供的轻小型三维激光扫描测量方法的数据采集设计图；

图5为本发明提供的轻小型三维激光扫描测量方法进行数据后处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供一种轻小型三维激光扫描测量系统，包括GPS定位系统、惯性导航系统INS、激光扫描仪、数码相机、串口和数据采集计算机；所述GPS定位系统包括相互电连接的GPS天线和GPS接收机；所述GPS接收机、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪均通过所述串口与所述数据采集计算机连接。通过数据采集计算机控制GPS定位系统、INS和激光扫描仪进行数据的采集、传输和保存。另外，GPS定位系统、惯性导航系统INS、激光扫描仪均采用轻小型、低成本硬件系统。GPS天线可以采用GPS航空天线，用于接收GPS信号。数据采集计算机采用小型、质量轻、存储量大的平板触摸式工业控制计算机。数码相机为CCD数码相机，数码相机采集的影像存储在数据相机内置的存储卡内。

为同步GPS数据与INS数据，GPS接收机还分别与所述数码相机和所述INS连接。具体的，GPS接收机设置1PPS信号线输出接口；所述1PPS信号线输出接口分别连接到所述INS的同步信号接口以及所述数据相机的触发器。具体同步方式为：GPS接收机每秒向INS输出1PPS信号，用以同步GPS数据与INS数据。同时，GPS接收机引出1PPS信号线，用于触发数码相机自动拍照。

还包括供电电源；所述供电电源的输出端通过电源开关分别向所述GPS接收机、所述INS和所述激光扫描仪供电；所述数码相机内置有供电模块，通过所述供电模块向所述数码相机供电。其中，供电电源可以采用小型锂电池，可以提供12V直流电；数码相机内置的供电模块也可以为锂电池。

如图2所示，还包括箱体；所述GPS接收机、所述INS和所述激光扫描仪集成安装在所述箱体的内部；所述GPS天线和所述数码相机安装在所述箱体的外部。作为一种具体实现方式，GPS接收机、INS、激光扫描仪、供电电池集成在一方形箱体内部，箱体内部引出GPS接收机的1PPS信号线连接于INS的同步信号接口、用于数据采集时的同步信号；将GPS接收机、INS、激光扫描仪的电源线通过开关接入锂电池，将GPS接收机、INS、激光扫描仪的信号输出线引出箱体，用于通过串口接入数据采集计算机。本发明中，载体运动方向为X轴，激光扫描仪沿着与X轴垂直的方向进行扫描(Y轴)，数码相机拍照方向与激光扫描仪扫描方向一致，Z轴方向垂直载体平面向下。箱体内部集成的设备有GPS接收机、姿态方位参考系统(INS)、激光扫描仪以及电源。可将图2所示的箱体放置于小型移动平台进行数据采集工作，例如：小型移动车辆，无人直升机等。

作为一种具体实施例，轻小型三维激光扫描系统在实施中，姿态方位参考系统可以采用美国SDA公司的Inertial+2-rt2组合导航系统，主要指标为：位置精度2cm，速度0.05km/h，加速度10mm/s²，俯仰横滚为0.03度，0.1度航向，0.01度/秒角速度；GPS接收机采用美国NovAtel公司的FLEXG2-V2-RT2S，其定位精度为：单点1.5m，差分0.40m；激光扫描仪采用德国IBEO公司的LUX4激光扫描雷达，主要指标为：距离范围0.3m至200m，扫描角度80度。数据采集计算机采用研华TPC-1260T平板电脑。

本发明提供的应用上述轻小型三维激光扫描测量系统的三维激光扫描测量方法，包括以下步骤：

S1，设置所述GPS定位系统对GPS数据的采集参数、所述INS对INS数据的采集参数和所述激光扫描仪对激光数据的采集参数；

其中，GPS定位系统的采集参数包括：GPS数据的存储路径、GPS停止位、GPS检校位、GPS数据位和GPS数据采集频率；

所述INS的采集参数包括：INS数据的保存格式和存储路径、INS数据的采集频率；

所述激光扫描仪的采集参数包括扫描模式、扫描角度、扫描时长、扫描得到的数据的保存格式和存储路径；其中，所述扫描模式包括连续数据采集模式和固定时间长数据采集模式；其中，所述连续数据采集模式为连续采集被测目标的激光数据，直到采集结束；所述固定时间长数据采集模式为：首先设置激光扫描的时间长度，然后按照所设置的时间长度采集被测目标的激光数据，当达到所设置的时间长度时，终止采集被测目标的激光数据。数据保存格式包括文本格式类型(txt)与二进制数据类型。

S2，所述轻小型三维激光扫描测量系统设置两种数据接收模式，第一种模式：根据GPS位置开始接收和停止接收数据；第二种模式，未设置根据GPS位置开始接收和停止接收数据；

按设置的所述采集参数，所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集；其中，所述GPS定位系统采集载体的GPS数据；当所述GPS定位系统采集载体的GPS数据时，触发所述数码相机采集目标物体的纹理数据；所述INS采集载体的INS数据；所述激光扫描仪对目标物体进行扫描，采集所述目标物体的激光数据；

如果设置为第一种模式，则需要预先设置起始GPS坐标和搜索距离，当到达所述起始GPS坐标时，所述数据采集计算机开始接收并保存所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据；当超过所述搜索距离时，停止接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据。根据GPS位置触发开始接收GPS数据、INS数据和激光数据，根据GPS位置触发GPS定位系统、INS、激光扫描仪停止接收数据，实现了监控GPS定位系统、INS、激光扫描仪进行数据采集的过程。如果设置为第一种模式，则直接接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据；

另外，GPS数据包括载体地理坐标信息、载体地速信息以及载体方位信息；所述INS数据包括载体姿态信息、载体位置信息和载体加速度信息。

另外，数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集包括：在所述数据采集计算机控制下，所述GPS定位系统向所述INS每秒输出1PPS信号，用于同步所述GPS数据和所述INS数据；同时，所述GPS定位系统向所述数码相机每秒输出1PPS信号，用于触发所述数码相机自动采集目标物体的纹理数据，并且，所述数码相机将采集的所述目标物体的纹理数据存储在自身内置的存储卡内；和/或所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪进行数据采集还包括：所述数据采集计算机采用多线程技术控制所述GPS定位系统、所述INS和所述激光扫描仪同时进行数据采集。通过多线程技术，实现了GPS数据、INS数据、激光数据的同时数据采集。

数据采集计算机接收所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据具体为：所述数据采集计算机记录接收到的每一个所述激光数据的接收时间点；所述数据采集计算机记录所述INS数据的最初开始接收时间点，所述最初开始接收时间点用于确定与所述GPS数据的同步时间点。以UTC时间为例，每接收一个激光数据，数据采集计算机记录当前的UTC时间，用以反推激光扫描仪数据的采集时间；在数据采集开始时，数据采集计算机记录INS数据开始接收的当前UTC时间，此时间用于确定与GPS数据同步的时间点。

S3，所述数据采集计算机对接收到的所述GPS数据、所述INS数据和所述激光数据进行数据后处理，生成所述被测目标的点云数据；

S3具体包括以下步骤：

S31，解析所述GPS数据，获得解析后的GPS数据；将所述解析后的GPS数据通过GPS卡尔曼子滤波器并换算至INS中心后，输出经滤波处理后的GPS数据；其中，所述解析后的GPS数据包括载体的时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；所述滤波处理后的GPS数据包括时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；

解析所述INS数据，获得解析后的INS数据；所述解析后的INS数据包括载体的航向角数据、俯仰角数据、横滚角数据以及载体的坐标数据、速度数据、航向数据；

S32，对所述滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据进行数据同步，使所述滤波处理后的GPS数据与所述解析后的INS数据一一对应；

具体的，由于INS数据采集频率与GPS数据采集频率不同，INS数据采集频率大于GPS数据采集频率。因此，需要同步INS数据与GPS数据。具体同步方式为：根据接收INS数据时的初始UTC时间与INS内部接收GPS同步信号的时间戳信息，将解算后的INS数据对应到同一时刻的GPS数据上，完成GPS与INS数据的时间同步。

S33，对同步的所述滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据采用卡尔曼滤波进行融合，输出经融合后的被测目标的位置姿态数据；其中，所述位置姿态数据包括位置数据、姿态数据、速度数据、方位角数据；

S34，将所述位置姿态数据换算至激光扫描仪中心后，采用时间插值的方法融合所述激光数据与所述位置姿态数据，生成点云数据。

具体的，以激光扫描仪采集数据的时间为基础，将位置姿态数据换算至激光扫描仪中心后，对位置姿态数据在时间上进行插值，计算出激光扫描采集数据的时刻的位置与姿态，结合激光扫描仪的距离、扫描角度信息，生成点云数据。另外，需要通过多次试验确定激光扫描仪采集数据到数据采集计算机接收数据的时间值差(Δt)，将接收激光数据的时间减去数据传输的时间(Δt)，即为激光扫描仪采集数据的时间，此传输时间通常稳定并且小于10us。

S4，所述数据采集计算机结合所述被测目标的点云数据以及所述纹理数据，生成带有纹理信息的被测目标的三维模型。

具体的，从数码相机中提取影像数据，对影像进行纠正，纠正后的影像为点云数据提供纹理信息，接收点云数据后生成带有纹理信息的被测目标三维模型。

如图3所示，为一种具体的轻小型三维激光扫描系统进行数据采集的流程图，包括如下步骤：

步骤(1)，将引出箱体外部的GPS接收机、INS和激光扫描仪的信号输出线通过串口卡与数据采集计算机相连，然后启动安装在数据采集计算机内部的数据采集与控制软件，系统初始化。此时，数据采集计算机自动检测是否有外部设备接入，若没有接入可重新检测；若确定有设备接入数据采集计算机，则执行步骤(2)。

步骤(2)，设置激光扫描仪、GPS接收机、INS的数据采集参数。

其中，设置激光扫描仪扫描参数首先需要选择扫描模式，扫描模式包括固定时间长度扫描模式和连续扫描模式，若选择固定时间长度扫描模式，需要设置激光扫描仪的扫描角度和时间；若选择连续扫描模式，则需要设置扫描角度。完成上述扫描模式的设置后，需要设置数据保存格式，具体包括文本格式(txt)和二进制数据格式。

设置GPS数据采集参数，主要是设置常规的GPS数据接收参数，包括波特率、GPS数据位、设置有无校验和GPS更新频率。本实施中，GPS更新频率最大为20Hz，可设置GPS数据更新频率为小于等于20Hz，一般在应用中选择最大的更新率20Hz。

设置INS数据采集参数，主要设置INS更新频率和INS数据的保存格式。本实施中，INS更新频率设为100Hz，数据保存格式可设置为文本格式(txt)或二进制数据格式。

设置完上述各设备的数据采集参数后，需要选择接收数据的保存路径和对不同数据进行命名，从而保证接收到的数据按设置的保存路径与名字进行保存。

步骤(3)，在开始采集数据之前，可选择是否根据GPS位置接收数据，通过此项设置，可使数据采集计算机在数据采集过程中，在指定的GPS位置开始接收数据与在指定的GPS位置停止接收数据。选择此项功能后，需要设置开始接收或停止的GPS坐标位置和设置搜索距离。

步骤(4)，开始采集数据，若没有设置根据GPS位置接收数据，系统会直接开始接收与存储数据，若设置了步骤(3)中所述的根据GPS位置接收数据，数据采集计算机根据设置的GPS位置和搜索距离判断，若到达指定的GPS范围，则开始接收与保存数据；当超过GPS范围时，停止接收与保存数据。

步骤(5)，在完成数据采集工作后，停止数据接收，关闭应用程序。

如图4所示，为数据采集计算机控制数据采集的数据采集设计图，数据采集计算机安装的数据采集与控制软件采用C++语言开发，采用多线程技术开发，配合如图3所示的数据采集流程图完成数据接收与存储工作。

数据采集主要包括三个线程：激光扫描线程、GPS数据采集线程、INS数据采集线程。在通过如图3所示的串口初始化以及参数设置后，通过一个总的数据采集控制器启动系统高速接收各线程数据，各串口监视串口事件的发生，当有数据到来时，对于每一帧激光扫描数据，接收时均写入当前接收时刻的UTC时间；对于INS数据，当接收到第一个INS数据时写入INS数据开始接收时刻的UTC时间，将各线程数据写入内存缓冲区，采用互斥锁对数据进行保护，然后将内存中的数据保存到硬盘上，从而释放内存空间。在数据采集的过程中，GPS接收机会向INS发送1PPS同步信号进行数据同步，INS每接收到一个同步信号会有一个同步标记进行记录。最后判断数据采集是否停止，若否则继续监视串口事件，若是则关闭串口，停止接收与保存数据。

通过数据采集保存的文件有：GPS数据文件、INS数据文件、激光扫描数据文件。其中INS数据文件内容包括：起始UTC时间、三轴角速度、三轴加速度、三轴磁方位角和姿态角，激光扫描数据文件内容包括每一行扫描的UTC时间、角度和距离信息。

如图5所示为数据后处理流程图，数据后处理的作用是将作业过程中采集的GPS、INS、激光扫描仪原始数据通过解算、滤波与融合处理，产生可应用于实际的被测目标“点云”数据，其具体实现方式如下所述：

(1)读取GPS文件，采用GPS自带的数据处理软件从GPS文件中提取载体运动时GPS数据采集过程中的UTC时间、经度(λ)、纬度高度(H)、地速(v)、地面航向(h)信息。将提取的GPS数据通过卡尔曼滤波器进行滤波处理，输出经滤波处理后的GPS数据，然后将GPS数据通过GPS天线与扫描箱体的几何关系换算到INS中心，生成的数据包括：UTC时间、经度(λ)、纬度高度(H)、地速(v)、地面航向(h)。

(2)读取INS数据文件，从INS数据文件中提取载体运动过程中的三轴角速度、加速度以及气压高度数据和三轴磁方位角数据。从GPS卡尔曼子滤波器提供初始的位置与速度数据，结合从INS数据中提取的角速度、加速度、气压高度数据和磁方位角及其当地的磁偏角与重力加速度对INS数据文件进行解算，解算后得到载体在运动过程中的姿态角(α，B，γ)、位置坐标速度(v)、航向(h)。

(3)由于INS数据采集频率与GPS数据采集频率不一致，INS数据采集频率为100Hz，GPS数据采集频率为20Hz，需要进行INS与GPS数据同步，具体方法为：根据解算后INS数据中的初始UTC时间在GPS数据中找到与此时间相近的GPS数据段，然后在此数据段后找到GPS整秒的数据，删去整秒之前少量GPS数据，在INS数据中找到第一个与GPS数据进行同步的时间戳标志，删去以上少量INS数据，这样便找到了GPS数据与INS数据的一个同步点，之后的数据就可以根据GPS的UTC时间与INS数据中的同步标志进行数据同步。

(4)将同步后的数据以GPS与INS输出数据的位置差、速度差、航向差为观测值，结合INS的姿态角误差、陀螺漂移以及安装误差，通过卡尔曼滤波进行数据融合，输出经融合滤波后的位置与姿态数据，包括：时间(t)、经度(λ)、纬度高度(H)、地速(v)、航向数据(h)。

(5)读取激光扫描数据，以激光扫描仪数据中每行扫描的UTC时间为基础，将上述融合生成的姿态与位置数据在时间上进行插值，计算出激光扫描采集数据时刻的姿态与位置数据，并将姿态与位置数据通过几何关系换算至激光扫描仪扫描中心，然后结合激光扫描数据中的角度与距离信息，可计算出每个扫描点的坐标值，进而生成“点云”数据。

(6)从CCD数码相机中提取CCD影像数据，采用图像处理软件以及添加控制点的方式对影像进行纠正，纠正后的影像为“点云”数据提供纹理信息，最后采用自动或手动拼接的方式给“点云”数据添加纹理，最后生成带有纹理的被测目标三维模型数据。

针对目前地理数据采集中，复杂区域、小范围区域的数据采集工作成本高、灵活性不足的特点，本发明以重量轻、体积小、成本低的硬件系统集成了轻小型三维激光扫描测量系统及方法，采用数据采集与控制系统设置系统工作参数以及实时接收与保存数据，通过数据后处理生成点云数据以及带有纹理的被测目标三维模型。本发明提供的轻小型三维激光扫描测量系统可搭载于小型地面或空中移动平台，满足快速、机动和低价格的获取被测目标的三维点云数据和纹理的需求，为数字城市建设、城市规划、城市测绘、土地利用情况调查等相关领域的数据采集工作服务。具体效果可总结如下：

1.三维激光扫描测量系统采用移动式平台，其中的GPS定位系统可直接获取载体的位置信息，INS可获取载体姿态信息，从而可可直接获取载体在地理坐标下的位置与姿态数据，进而可以快速，方便，灵活的直接获取被测目标在地理坐标框架下的三维点云信息。

2.三维激光扫描测量系统中各硬件均采用轻小型、低成本硬件系统集成，数据采集计算机也采用了重量更小的平板触摸式工业控制计算机，在重量与体积上明显优于当前的三维激光扫描仪，更适合搭载于无人机等小型移动平台，更有利于针对小型区域开展数据采集工作。

3.数据采集计算机可以很方便的调整激光扫描仪的扫描参数，自动控制采集数据的接收与保存，监控数据采集，具有操作方便简单的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于轻小型三维激光扫描测量系统的三维激光扫描测量方法，其特征在于，轻小型三维激光扫描测量系统包括GPS定位系统、惯性导航系统INS、激光扫描仪、数码相机、串口和数据采集计算机；所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪均通过所述串口与所述数据采集计算机连接；所述GPS定位系统还分别与所述数码相机和所述惯性导航系统INS连接；所述GPS定位系统设置1PPS信号线输出接口；所述1PPS信号线输出接口分别连接到所述惯性导航系统INS的同步信号接口以及所述数码相机的触发器；

三维激光扫描测量方法包括以下步骤：

S1，设置所述GPS定位系统对GPS数据的采集参数、所述惯性导航系统INS对INS数据的采集参数和所述激光扫描仪对激光数据的采集参数；

S2，所述轻小型三维激光扫描测量系统设置两种数据接收模式，第一种模式：根据GPS位置开始接收和停止接收数据；第二种模式，未设置根据GPS位置开始接收和停止接收数据；

按设置的所述采集参数，所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪进行数据采集；其中，所述GPS定位系统采集载体的GPS数据；当所述GPS定位系统采集载体的GPS数据时，触发所述数码相机采集被测目标的纹理数据；所述惯性导航系统INS采集载体的INS数据；所述激光扫描仪对被测目标进行扫描，采集所述被测目标的激光数据；

如果设置为第一种模式，则需要预先设置起始GPS坐标和搜索距离，当到达所述起始GPS坐标时，所述数据采集计算机开始接收并保存所述GPS数据、惯性导航系统INS数据和所述激光数据；当超过所述搜索距离时，停止接收所述GPS数据、所述惯性导航系统INS数据和所述激光数据；如果设置为第二种模式，则直接接收所述GPS数据、所述惯性导航系统INS数据和所述激光数据；

S3，所述数据采集计算机对接收到的所述GPS数据、所述惯性导航系统INS数据和所述激光数据进行数据后处理，生成所述被测目标的点云数据；

S4，所述数据采集计算机结合所述被测目标的点云数据以及所述纹理数据，生成带有纹理信息的被测目标的三维模型；

其中，S1中，所述GPS定位系统的采集参数包括：GPS数据的存储路径、GPS停止位、GPS检校位、GPS数据位和GPS数据采集频率；

所述惯性导航系统INS的采集参数包括：INS数据的保存格式和存储路径、INS数据的采集频率；

所述激光扫描仪的采集参数包括扫描模式、扫描角度、扫描时长、扫描得到的数据的保存格式和存储路径；其中，所述扫描模式包括连续数据采集模式和固定时间长数据采集模式；其中，所述连续数据采集模式为连续采集被测目标的激光数据，直到采集结束；所述固定时间长数据采集模式为：首先设置激光扫描的时间长度，然后按照所设置的时间长度采集被测目标的激光数据，当达到所设置的时间长度时，终止采集被测目标的激光数据；

其中，S2中，所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪进行数据采集包括：在所述数据采集计算机控制下，所述GPS定位系统向所述惯性导航系统INS每秒输出1PPS信号，用于同步所述GPS数据和所述惯性导航系统INS数据；同时，所述GPS定位系统向所述数码相机每秒输出1PPS信号，用于触发所述数码相机自动采集被测目标的纹理数据，并且，所述数码相机将采集的所述被测目标的纹理数据存储在自身内置的存储卡内；和/或所述数据采集计算机控制所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪进行数据采集还包括：所述数据采集计算机采用多线程技术控制所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪同时进行数据采集；

其中，S2中，所述数据采集计算机接收所述GPS数据、所述惯性导航系统INS数据和所述激光数据具体为：所述数据采集计算机记录接收到的每一个所述激光数据的接收时间点；所述数据采集计算机记录所述惯性导航系统INS数据的最初开始接收时间点，所述最初开始接收时间点用于确定与所述GPS数据的同步时间点；

S3具体包括以下步骤：

S31，解析所述GPS数据，获得解析后的GPS数据；将所述解析后的GPS数据通过GPS卡尔曼子滤波器并换算至INS中心后，输出经滤波处理后的GPS数据；其中，所述解析后的GPS数据包括载体的时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；经滤波处理后的GPS数据包括时间数据、经度数据、纬度数据、地速数据、地面航向数据；

解析所述惯性导航系统INS数据，获得解析后的INS数据；所述解析后的INS数据包括载体的航向角数据、俯仰角数据、横滚角数据以及载体的坐标数据、速度数据、航向数据；

S32，对经滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据进行数据同步，使经滤波处理后的GPS数据与所述解析后的INS数据一一对应；

S33，对同步的经滤波处理后的GPS数据和所述解析后的INS数据采用卡尔曼滤波进行融合，输出经融合后的被测目标的位置姿态数据；其中，所述位置姿态数据包括位置数据、姿态数据、速度数据、方位角数据；

S34，将所述位置姿态数据换算至激光扫描仪中心后，采用时间插值的方法融合所述激光数据与所述位置姿态数据，生成点云数据。

2.根据权利要求1所述的三维激光扫描测量方法，其特征在于，所述数据采集计算机为平板触摸式工业控制计算机；和/或所述数码相机为CCD数码相机；还包括箱体；所述GPS定位系统、所述惯性导航系统INS和所述激光扫描仪均轻小型，集成安装在所述箱体的内部；所述GPS天线和所述数码相机安装在所述箱体的外部。