CN104180793A - 一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，包括：移动载体；激光扫描仪，激光扫描仪的激光发射方向垂直于移动载体且水平射向移动载体前进方向的右侧；定位定向系统，其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统，惯性导航系统设置于激光扫描仪的左侧；以及数据采集系统，其设置在移动载体中，数据采集系统与激光扫描仪和定位定向系统连接，数据采集系统用于读取和处理激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型；承载板，其包括第一和第二板体，惯性导航系统固定在第一板体上，激光扫描仪固定在第二板体的外侧。本发明还公开了一种用于数字城市建设的移动空间信息获取数据的实时解算方法。

Description

一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置和方法

技术领域

本发明涉及三维激光扫描技术领域，具体地涉及一种用于城市小型街道的移动三维激光扫描系统和方法。

背景技术

当前，“数字城市”已经被广泛运用于城市规划设计、建筑景观模拟、通信基站布网设计等领域，其中数据采集是“数字城市”的关键。

目前对于“数字城市”的数据采集主要分为地面和空对地两种方式。空对地的观测手段主要集中在机载、星载的高分辨率、高光谱和雷达，它可以大范围、高效率的采集地面数据，不过该方式对于树木、建筑物遮挡，建筑物立面等数据无法正常采集。地面观测恰好可以弥补空地观测的这种不足，适时的采集建筑物立面及易被障碍物遮挡信息，与空对地采集数据形成有效互补，共同构建“数字城市”空间三维模型。地面数据采集常用方式既采用三维激光扫描仪，在短时间内采集大量点云数据构建建筑物模型。在实际工程中，常用到固定式三维激光扫描系统和车载式三维激光扫描系统两种类型。固定式三维激光扫描系统一般用在小范围特定场所的数据采集，不过其对于大规模城市空间及小型街道数据采集就显得效率较低。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置；

本发明的另一目的是提供一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法；本发明解决了对小型街道或较窄的胡同、社区等区域进行便捷数据采集的问题，同时解决了对采集后的数据处理以较快得到物体三维模型的问题

本发明提供的技术方案为：

一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，包括：

移动载体；

激光扫描仪，所述激光扫描仪的激光发射方向垂直于所述移动载体且水平射向所述移动载体前进方向的右侧；该激光扫描仪为二维激光扫描仪，采集待测物体除移动载体行进方向(Y轴)外的另外两个方向(X、Z)方向的数据，包括空间大地坐标等数据。

定位定向系统，其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统，所述惯性导航系统设置于所述激光扫描仪的左侧，所述GPS系统用于采集移动载体的地理坐标信息，所述惯性导航系统用于采集移动载体的数据、姿态数据和加速度数据；

数据采集系统，其设置在所述移动载体中，所述数据采集系统与所述激光扫描仪和定位定向系统连接，所述数据采集系统用于读取和处理所述激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型；以及

承载板，其包括一第一板体和一第二板体，所述第一板体水平固定在所述移动载体的顶部，所述第二板体垂直固定于所述第一板体上，所述第一和第二板体均由合金钢板制成；

其中，所述惯性导航系统固定在所述第一板体上，所述激光扫描仪固定在所述第二板体的外侧。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，还包括：

CCD相机，其设置在所述移动载体顶部，所述CCD相机与所述数据采集系统连接，所述CCD相机用于采集待测物体的纹理数据。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中，所述GPS系统包括：

GPS移动站，其设置在所述第一板体上；

GPS基准站，其固定架设在待测区域周围无遮挡地段，GPS基准站通过电波信号与GPS移动站交互数据。。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中，所述数据采集系统为移动工作站。

一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法，包括：

步骤一、利用GPS的秒脉冲信号对一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置进行时间同步，然后利用所述装置在待测区域内移动以获取待测物体的空间信息；

步骤二、首先利用空间配准方法将激光扫描仪和定位定向系统采集的每一点的数据都转换到一统一的空间下，然后结合时间配准方法结算出每一点的三维坐标，从而生成待测物体的三维点云数据，其中时间配准方法包括如下步骤：以所述步骤一中的时间同步信号为基准，以时间信息为依据，将定位定向系统的采集数据通过内插处理与激光扫描仪的采集数据进行配准，将激光扫描仪采集的物体的二维数据按照定位定向系统采集的地理坐标数据整合而结算出每一点的三维坐标；

激光扫描仪与POS系统采集数据频率不同，本发明以采集数据时的同步信号作为基准，把时间信息作为低频POS数据内插处理和多传感器数据匹配的依据，结合POS系统所采集每一时刻点的空间位置和姿态信息。本发明数据采集时设置激光扫描仪速率依次为50kHz，100kHz，150khz，200kHz，而POS系统数据采集频率为10Hz。首先需对GPS数据进行解算处理，利用基准站与移动站主天线之间的观测数据进行单历元后处理差分解算出主天线中心坐标，然后根据激光扫描仪和POS系统数据采集频率记录时间自动内插出6个外方位元素，最后再对数据进行空间配准与时间配准，解算出目标点坐标。当部分数据点内插时，对于以直线轨迹为主的数据可以进行线性内插，对于折线等不规律轨迹，可用多项式内插或分段B样条曲线进行内插。也就是GPS系统采集的移动载体的地理坐标信息，和惯性导航系统采集的移动载体的数据、姿态数据和加速度数据以及激光扫描仪采集的物体的三维信息按照时间信息处理为物体的三维点云数据。

其中，所述数据处理软件运用C++(一种计算机编程语言)为编程语言，在VS2010(Visual Studio2010，美国微软公司的开发工具包系列产品)的开发环境下编写。

步骤三、利用待测物体的三维点云数据和纹理数据生成待测物体的三维模型。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法中，在所述步骤一之前还包括如下步骤：测定一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中的激光扫描仪、惯性导航系统、GPS移动站和CCD相机的相对位置，并计算出相对位置参数，所述相对位置参数包括平移和旋转参数。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法中，所述空间配准的方法包括：

步骤1)、将激光扫描仪原始坐标转换到扫描仪空间坐标：

以激光扫描仪的发射器为坐标原点O，以移动载体行进方向作为Y轴，以垂直于移动载体行进方向作为X轴，平行于极轴方向作为Z轴，建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系，

根据激光扫描仪原始坐标系中的极坐标(ρ，θ)，利用公式(1)计算得到扫描仪空间坐标系坐标(X，Y，Z)：

$\left\{\begin{array}{c}X=\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}\\ Y=0\\ Z=\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中Y的坐标由定位定向系统采集获得；激光扫描仪原始坐标系是一个极坐标系，它是由激光扫描仪的工作原理决定的。原理是利用激光探测技术获取被测目标至扫描中心的距离ρ，由精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲纵向扫描角度观测值θ，则被测点的空间三位坐标可由空间三维儿何关系通过一个线元素和一个角元素计算空间点位的三维坐标。

步骤2)、将扫描仪空间坐标转换到车载系统坐标：

以惯性导航系统的中心作为原点O_c，以移动载体行进方向作为Y轴，以垂直于移动载体行进方向作为X轴，平行于极轴方向作为Z轴，建立右手空间坐标系O_c-X_cY_cZ_c作为车载系统坐标系，

根据公式(2)将扫描仪空间坐标系O-XYZ转换到车载系统坐标系O_c-X_cY_cZ_c：

$\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+R_c\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中R_c是旋转矩阵，其中各参数计算如公式(3)，

公式(3)中ΔX、ΔY、ΔZ、ω、κ为激光扫描仪相对于车载系统坐标系的平移与旋转参数，从所述步骤一中得到；

步骤3)、将车载系统坐标转换到当地水平坐标：

以移动载体位置作为坐标系原点o，以被测点在椭球体的法线方向(即天向)为z轴，以被测点所在大地子午线北端与大地地平面的交线(即北向)为y轴，以大地平行圈与大地地平面的交线(即东向)为x轴，建立为右手空间直角坐标系O-X_LY_LZ_L作为当地水平坐标系，

车载系统坐标系与当地水平坐标系之间的转换是关于三个姿态角的矩阵，即航向角Yaw，俯仰角Pitch，横滚角Roll。若激光点在当地水平坐标系下的坐标为(X_L，Y_L，Z_L)，则有如下变换关系：

则有：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=R_L\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]---\left(4\right)$

R_L＝R_R*R_P*R_H       (5)

$R_R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& 0& -\sin \\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\α}& 0& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(6\right)$

$R_P=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ 0& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(7\right)$

$R_H=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，R_L为惯性导航系统采集的三个姿态角构成的旋转矩阵，所述三个姿态角为翻滚角α、航向角γ和俯仰角β。翻滚角α，是绕Y轴旋转，右倾为正。俯仰角β，绕X轴旋转，向上为正。航向角γ，绕Z轴旋转，顺时针为正。

优选的是，所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法中，还包括：

步骤4)、当地水平坐标转换到ECEF坐标：

ECEF直角坐标系：

以椭球中心为ECEF直角坐标系的原点，以起始子午面NGS与赤道面WAE的交线为X轴，以椭球的短轴为Z轴(向北为正)，以在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，构成右手空间直角坐标系O-X_ECEFY_ECEFZ_ECEF。

若ECEF坐标系与当地水平坐标系之间的旋转矩阵为

设当地水平坐标系原点的纬度为^B，精度为^L，则有

$\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ECEF}}\\ Y_{\mathrm{ECEF}}\\ Z_{\mathrm{ECEF}}\end{array}\right]={\left(R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}\right)}^{-1}\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{ECEF}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{ECEF}}\\ {\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{ECEF}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

$R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}=R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}x\·R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}z=\left[\begin{array}{ccc}-\sin \left(L\right)& \cos \left(L\right)& 0\\ -\sin \left(B\right)\cos \left(L\right)& -\sin \left(B\right)\sin \left(L\right)& \cos \left(B\right)\\ \cos \left(B\right)\cos \left(L\right)& \cos \left(B\right)\sin \left(L\right)& \sin \left(B\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中，ECEF直角坐标系先绕其Z轴旋转90°+L角度得到新的坐标系，这个旋转矩阵为：

这个新的坐标系再绕其X轴旋转角度，得到下面的坐标系，此旋转矩阵为：

该坐标系与当地水平坐标系的X，Y，Z轴平行。

本发明的一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置主要分为数据采集部分和数据后处理部分。其中，数据采集部分包括POS定位定向系统和CCD相机等，其中，POS定位定向系统包括GPS系统和惯性导航系统，本发明中采用了IMU惯导系统。数据后处理部分包括数据采集系统，数据采集部分就是移动载体比如车辆在行驶过程中，各数据采集部分的传感器在数据采集系统即移动工作站的控制下同步采集车辆运行中一侧建筑物等的三维空间数据和属性信息，并储存在移动工作站中，本发明中的移动工作站采用高性能公共机，以便后续数据处理过程对其进行整合加工。

整个扫描系统在高性能公共机控制下，通过GPS的秒脉冲信号进行同步。工作前需要将激光扫描仪、GPS移动站和惯性导航系统统一安装在车辆上，并经过严格检校，得到车辆各传感器间相对固定的几何位置关系。本发明在将各传感器安装完成后，通过使用精度达亚毫米级的关节臂扫描仪测得各传感器相对位置，计算出其相对位置参数，为后续数据处理提供相对精确的原始校准信息。工作过程中，为保证采集数据质量，车辆应尽可能的低速匀速行驶，将GPS时间作为整个车载扫描系统的时间基准，通过高性能公共机对各传感器进行统一控制，同步采集待测的空间地物信息。其中POS定位定向系统采集的是车载扫描系统的原始位置测量信息，当GPS接收机卫星失锁时，可以通过IMU惯导系统采集该时段信息，对失锁数据进行弥补。当POS系统数据采集完毕后，本实验通过Inertial Explorer软件对所采集的GNSS/INS原始数据进行解算。通过对POS系统的数据高精度解算，可以得到该扫描系统在运动过程中空间位置、行进速度和姿态等信息，为后续时间、空间数据融合配准提供数据支持。

下面简要介绍一下扫描原理：

(1)三维的激光扫描仪利用激光作为光源，对三维目标按照一定的分辨率进行扫描，采用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其表面三维信息。原理是利用激光探测技术获取被测目标至扫描中心的距离S，由精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α(本发明中未利用横向扫描角度观测值α)和纵向扫描角度观测值θ，则被测点的空间三位坐标可由空间三维几何关系通过一个线元素和两个角元素计算空间点位的X、Y、Z坐标，空间点位的计算模型为图4中的(A)式。激光扫描系统一般使用激光扫描仪自定义的坐标系统，以激光扫描仪的发射器为坐标原点O，以移动载体行进方向作为Y轴，以垂直于移动载体行进方向作为X轴，平行于极轴方向作为Z轴，建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系，即X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直(如图4所示)。激光扫描仪在采集数据时，内部伺服马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿X、Y两个方向快速扫描，实现高精度的小角度扫描间隔、大范围扫描幅度。

(2)CCD相机原理

本系统的CCD数码相机，用以获取被摄物体的纹理。其基本作业原理是：依据动态GPS所实时测定的摄站坐标，使用被摄建筑物上采集时人工选取二组或三组平行线组，直接获取被摄物的相似的“水平影像”，使用激光扫描仪所测得的建筑物高度确定影像放大倍数，按“水平影像”的摄影方向，将建筑物的纹理置于应有的地理位置。

基于多片空间后方交会的CCD数码相机的精确检校，是建立本系统的重要技术组成。据多次试验，主距与主点坐标的检测中误差均小于1个像素，光学主畸变系数K₁检测中误差小于10^-11。

(3)软件数据处理原理

在该扫描系统中，激光扫描仪、CCD相机、GPS系统和惯导系统中各传感器所采集信息均为空间三维地物信息在各系统中的描述。由于激光扫描仪、GPS移动站和惯性导航系统在仪器自身特性和车辆安装位置的差异，使得它们采集到的信息所在坐标系也各不相同。因而将各传感器所采集信息融合到统一空间是该扫描系统测量系统数据处理的一个难点。为了能够将多个系统的传感器采集空间信息融合到一个共同的参考坐标系下，需在数据融合前对各传感器数据进行相应的坐标转换，然后再以一个共同的匹配原则对多种数据进行融合，最后得到空间三维地物准确的地物坐标。这个将多种坐标系下数据转换到共同参考坐标系下的过程称为空间配准。

该系统底板采用高强度合金钢板，该材料钢板在保证系统稳定性和耐久性的同时又能最大程度的减轻整个系统的重量，适合安置于中小型移动工具顶部，增强了整个系统的实用性与灵活性。

本发明提供的装置具有高精度、移动灵活的优点，尤其适用于扫描距离在150米以内的城市建筑群及道路较窄的胡同、社区进行数据采集。此外，借助GPS技术、惯性导航技术、CCD技术和激光扫描仪便可发挥其便于移动，实时定位的特性，方便、高效的对城市区域空间数据进行采集，快速获取区域内建筑物的立面信息。

附图说明

图1为本发明所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置的部件安置示意图；

图2为本发明所述的承载板的结构示意图；

图3为本发明所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置设备结构图；

图4为本发明所述的激光扫描仪的原理图；

图5为数据处理流程图；

图6为数据处理得到的点云图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，本发明提供一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，包括：

移动载体，比如各种车辆等；

承载板，其包括一第一板体1和一第二板体2，所述第一板体1水平固定在所述移动载体的顶部，所述第二板体2垂直固定于所述第一板体1上，所述第一和第二板体(1，2)均由厚度为1.2cm的合金钢板制成；

其中，所述惯性导航系统固定在所述第一板体1上，所述激光扫描仪固定在所述第二板体2的外侧。

激光扫描仪，激光扫描仪的激光发射方向垂直于所述移动载体且水平射向所述移动载体前进方向的右侧；

定位定向系统，其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统，所述惯性导航系统设置于所述移动载体的顶部，所述惯性导航系统设置于所述激光扫描仪的左侧。GPS系统包括：GPS移动站，其设置在所述第一板体1上；以及GPS基准站，其固定架设在待测区域周围无遮挡地段，GPS基准站通过电波信号与GPS移动站交互数据。GPS移动站和GPS基准站都设置有用于接收信号的天线、GPS接收机和电台。GPS系统和惯性导航系统都通过串口与数据采集系统相连。

所述GPS系统用于采集移动载体的地理坐标信息，所述惯性导航系统用于采集移动载体的数据、姿态数据和加速度数据；

CCD相机，其设置在所述移动载体顶部，所述CCD相机与所述数据采集系统通过网口连接，所述CCD相机用于采集待测物体的纹理数据。

供电电源，供电电源的输出端通过开关分别向激光扫描仪、GPS接收机、惯性导航系统CCD相机供电。本实施例中采用的供电电源为蓄电池，在第一板体1上开设有孔用于供电电源与各设备的连接线穿过。

数据采集系统，其设置在所述移动载体中，所述数据采集系统与所述激光扫描仪和定位定向系统连接，所述数据采集系统用于读取和处理所述激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型。本实施例中数据采集系统为移动工作站。数据采集系统中设置有软件算法部分，软件算法部分包括数据读取模块、数据配准模块及数据输出模块，数据配准模块包括空间配准模块和时间配准模块。

本实施例中使用的主要仪器如下表所示：

实施例2：

在进行数据采集前，要制定详细的行驶路线，以保证所采集区域地物地貌不致遗漏。选择周围无树木及高大建筑物遮挡的空旷无遮挡地段架设GPS基准站，将基准站接收机、天线等各设备链接完成，设置基准站接受频率为5～10Hz，在搜星状况良好的情况下(搜星大于6颗)，静置3～5分钟。

如图4、图5和图6所示，在周围无树木及高大建筑物遮挡的空旷区域连接一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，将GPS接收机与INS惯性导航系统相连，并通过串口与数据采集系统相连，将激光扫描仪通过网口与数据采集系统相连，最后将各仪器设备与其对应供电电源连接。

开启一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，设置GPS移动站接收频率为5～10Hz，待搜星数目达到要求且稳定时行驶至空旷地区，以“8”字型行驶路线行驶3～5次。

测定一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中的激光扫描仪、惯性导航系统、GPS移动站和CCD相机的相对位置，并计算出相对位置参数，所述相对位置参数包括平移和旋转参数。

开启激光扫描仪，选择数据采集所需频率(50～200KHz)，设定文件存储路径后沿计划路线开始数据即空间信息等的采集。

首先，利用GPS的秒脉冲信号对一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置进行时间同步，然后利用所述装置在待测区域内移动以获取待测物体的数据。

数据采集中，保存数据并进行实时解算。激光扫描仪数据通过网口传入数据采集计算机硬盘，POS系统数据通过串口传输至数据采集计算机硬盘。关闭一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置。

将GPS移动站数据和GPS基准站数据进行联合解算，解算出一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置实时运动轨迹、三个方向(北、东、垂直)速度、空间大地坐标、GPS时间与整个系统实时运动姿态(旋转角、俯仰角、翻滚角)信息。

将激光扫描仪数据由原始二进制数据转换为文本数据。同GPS解算后数据导入本系统数据处理软件进行数据校正及配准。

首先利用空间配准方法将激光扫描仪和定位定向系统采集的每一点的数据都转换到一统一的空间下，然后结合时间配准方法结算出每一点的三维坐标，从而生成待测物体的三维点云数据，其中时间配准方法包括如下步骤：以所述步骤一中的时间同步信号为基准，以时间信息为依据，将定位定向系统的采集数据通过内插处理与激光扫描仪的采集数据进行配准，从而结算出每一点的三维坐标。

激光扫描仪与POS系统采集数据频率不同，本发明以采集数据时的同步信号作为基准，把时间信息作为低频POS数据内插处理和多传感器数据匹配的依据，结合POS系统所采集每一时刻点的空间位置和姿态信息。本发明数据采集时设置激光扫描仪速率依次为50kHz，100kHz，150khz，200kHz，而POS系统数据采集频率为10Hz。首先需对GPS数据进行结算处理，利用基准站与移动站主天线之间的观测数据进行单历元后处理差分结算出主天线中心坐标，然后根据激光扫描仪和POS系统数据采集频率记录时间自动内插出6个外方位元素，最后再对数据进行空间配准与时间配准，结算出目标点坐标。当部分数据点内插时，对于以直线轨迹为主的数据可以进行线性内插，对于折线等不规律轨迹，可用多项式内插或分段B样条曲线进行内插。也就是GPS系统采集的移动载体的地理坐标信息，和惯性导航系统采集的移动载体的数据、姿态数据和加速度数据以及激光扫描仪采集的物体的三维信息按照时间信息处理为物体的三维点云数据。

其中，所述数据处理软件运用C++(一种计算机编程语言)为编程语言，在VS2010(Visual Studio2010，美国微软公司的开发工具包系列产品)的开发环境下编写。

最后，利用待测物体的三维点云数据和纹理数据生成待测物体的三维模型。

其中，空间配准的方法包括：

步骤1)、将激光扫描仪原始坐标转换到扫描仪空间坐标：

以激光扫描仪的发射器为坐标原点O，以移动载体前进方向作为Y轴正方向，以垂直于移动载体行进方向右侧作为X轴正方向，平行于极轴并指向天向作为Z轴正方向，建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系，

根据激光扫描仪原始坐标系中的极坐标(ρ，θ)，利用公式(1)计算得到扫描仪空间坐标系坐标(X，Y，Z)：

$\left\{\begin{array}{c}X=\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}\\ Y=0\\ Z=\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中Y的坐标由定位定向系统采集获得；激光扫描仪原始坐标系是一个极坐标系，它是由激光扫描仪的工作原理决定的。原理是利用激光探测技术获取被测目标至扫描中心的距离ρ，由精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲纵向扫描角度观测值θ，则被测点的空间三位坐标可由空间三维几何关系通过一个线元素和一个角元素计算空间点位的三维坐标。

步骤2)、将扫描仪空间坐标转换到车载系统坐标：

以惯性导航系统的中心作为原点O_c，以移动载体前进方向作为Y轴正方向，以垂直于移动载体前进方向作为X轴正方向，平行于极轴并指向天向作为Z轴正方向，建立右手空间坐标系O_c-X_cY_cZ_c作为车载系统坐标系，

根据公式(2)将扫描仪空间坐标系O-XYZ转换到车载系统坐标系O_c-X_cY_cZ_c：

$\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+R_c\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔY}\\ \mathrm{\ΔZ}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中R_c是旋转矩阵，其中各参数计算如公式(3)，

公式(3)中ΔΔX、ΔY、ΔZ、ω、κ为激光扫描仪相对于车载系统坐标系的平移与旋转参数，从所述步骤一中得到；

步骤3)、将车载系统坐标转换到当地水平坐标：

以移动载体位置作为坐标系原点o，以被测点在椭球体的法线方向(即天向)为z轴，以被测点所在大地子午线北端与大地地平面的交线(即北向)为y轴，以大地平行圈与大地地平面的交线(即东向)为x轴，建立为右手空间直角坐标系O-X_LY_LZ_L作为当地水平坐标系，

车载系统坐标系与当地水平坐标系之间的转换是关于三个姿态角的矩阵，即航向角Yaw，俯仰角Pitch，横滚角Roll。若激光点在当地水平坐标系

下的坐标为(X_L，Y_L，Z_L)，则有如下变换关系：

则有：

$\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]=R_L\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\end{array}\right]---\left(4\right)$

R_L＝R_R*R_P*R_H      (5)

$R_R=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& 0& -\sin \\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\α}& 0& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(6\right)$

$R_P=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ 0& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]---\left(7\right)$

$R_H=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}& 0\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中，R_L为惯性导航系统采集的三个姿态角构成的旋转矩阵，所述三个姿态角为翻滚角α、航向角Y和俯仰角β。翻滚角α，是绕Y轴旋转，右倾为正。俯仰角β，绕X轴旋转，向上为正。航向角Y，绕Z轴旋转，顺时针为正。

步骤4)、当地水平坐标转换到ECEF坐标：

ECEF直角坐标系：

以椭球中心为ECEF直角坐标系的原点，以起始子午面NGS与赤道面WAE的交线为X轴，以椭球的短轴为Z轴(向北为正)，以在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，构成右手空间直角坐标系O-X_ECEFY_ECEFZ_ECEF。

若ECEF坐标系与当地水平坐标系之间的旋转矩阵为

设当地水平坐标系原点的纬度为^B，精度为^L，则有

$\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{ECEF}}\\ Y_{\mathrm{ECEF}}\\ Z_{\mathrm{ECEF}}\end{array}\right]={\left(R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}\right)}^{-1}\left[\begin{array}{c}{X}_L\\ Y_L\\ Z_L\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{\mathrm{ECEF}}\\ \mathrm{\Δ}{Y}_{\mathrm{ECEF}}\\ {\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{ECEF}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

$R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}=R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}x\·R_{\mathrm{ECEF}}^{\mathrm{LL}}z=\left[\begin{array}{ccc}-\sin \left(L\right)& \cos \left(L\right)& 0\\ -\sin \left(B\right)\cos \left(L\right)& -\sin \left(B\right)\sin \left(L\right)& \cos \left(B\right)\\ \cos \left(B\right)\cos \left(L\right)& \cos \left(B\right)\sin \left(L\right)& \sin \left(B\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中，ECEF直角坐标系先绕其Z轴旋转90°+L角度得到新的坐标系，这个旋转矩阵为：

这个新的坐标系再绕其X轴旋转角度，得到下面的坐标系，此旋转矩阵为：

该坐标系与当地水平坐标系的X，Y，Z轴平行。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，其特征在于，包括：移动载体； 

激光扫描仪，所述激光扫描仪的激光发射方向垂直于所述移动载体且水平射向所述移动载体前进方向的右侧； 

定位定向系统，其包括相互连接的GPS系统和惯性导航系统，所述惯性导航系统设置于所述激光扫描仪的左侧； 

数据采集系统，其设置在所述移动载体中，所述数据采集系统与所述激光扫描仪和定位定向系统连接，所述数据采集系统用于读取和处理所述激光扫描仪和定位定向系统采集的数据以建立物体的三维模型；以及 

承载板，其包括一第一板体和一第二板体，所述第一板体水平固定在所述移动载体的顶部，所述第二板体垂直固定于所述第一板体上，所述第一和第二板体均由合金钢板制成； 

其中，所述惯性导航系统固定在所述第一板体上，所述激光扫描仪固定在所述第二板体的外侧。 

2.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，其特征在于，还包括： 

CCD相机，其设置在所述移动载体顶部，所述CCD相机与所述数据采集系统连接，所述CCD相机用于采集待测物体的纹理数据。 

3.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，其特征在于，所述GPS系统包括： 

GPS移动站，其设置在所述第一板体上； 

GPS基准站，其固定架设在待测区域周围无遮挡地段。 

4.如权利要求1所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取装置，所述数据采集系统为移动工作站。 

5.一种用于数字城市建设的移动空间信息获取方法，其特征在于，包括： 

步骤一、利用GPS的秒脉冲信号对一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置进行时间同步，然后利用所述装置在待测区域内移动以获取待测 物体的空间信息； 

步骤二、首先利用空间配准方法将激光扫描仪和定位定向系统采集的每一点的数据都转换到一统一空间下，然后以时间配准方法解算出每一点的三维坐标，从而生成待测物体的三维点云数据，其中时间配准方法包括如下步骤：以所述步骤一中的时间同步信号为基准，以时间信息为依据，将定位定向系统的采集数据通过内插处理与激光扫描仪的采集数据进行配准，将激光扫描仪采集的物体的二维数据按照定位定向系统采集的地理坐标数据解算出每一点的三维坐标； 

步骤三、利用待测物体的三维点云数据和纹理数据生成待测物体的三维模型。 

6.如权利要求5所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法，其特征在于，在所述步骤一之前还包括如下步骤：测定一种用于数字城市建设的移动空间信息获取装置中的激光扫描仪、惯性导航系统、GPS移动站和CCD相机的相对位置，并计算出相对位置参数，所述相对位置参数包括平移和旋转参数。 

7.如权利要求6所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法，其特征在于，所述空间配准的方法包括： 

步骤1)、将激光扫描仪原始坐标转换到扫描仪空间坐标： 

以激光扫描仪的发射器为坐标原点O，以移动载体行进方向作为Y轴，以垂直于移动载体行进方向作为X轴，平行于极轴方向作为Z轴，建立右手空间坐标系O-XYZ作为扫描仪空间坐标系， 

根据激光扫描仪原始坐标系中的极坐标(ρ，θ)，利用公式(1)计算得到扫描仪空间坐标系坐标(X，Y，Z)： 

其中Y的坐标由定位定向系统采集获得； 

步骤2)、将扫描仪空间坐标转换到车载系统坐标： 

以惯性导航系统的中心作为原点O_c，以移动载体行进方向作为Y轴，以垂直于移动载体行进方向作为X轴，平行于极轴方向作为Z轴，建立右手空 间坐标系O_c-X_cY_cZ_c作为车载系统坐标系， 

根据公式(2)将扫描仪空间坐标系O-XYZ转换到车载系统坐标系O_c-X_cY_cZ_c： 

式中R_c是旋转矩阵，其中各参数计算如公式(3)， 

公式(3)中ΔX、ΔY、ΔZ、ω、κ为激光扫描仪相对于车载系统坐标系的平移与旋转参数，从所述步骤一中得到； 

步骤3)、将车载系统坐标转换到当地水平坐标： 

以移动载体位置作为坐标系原点o，以被测点在椭球体的法线方向为z轴，以被测点所在大地子午线北端与大地地平面的交线为y轴，以大地平行圈与大地地平面的交线为x轴，建立为右手空间直角坐标系O-X_LY_LZ_L作为当地水平坐标系，则有： 

R_L＝R_R*R_P*R_H       (5) 

其中，R_L为惯性导航系统采集的三个姿态角构成的旋转矩阵，所述三个姿态角为翻滚角α、航向角γ和俯仰角β。 

8.如权利要求7所述的用于数字城市建设的移动空间信息获取方法，其特征在于，还包括： 

步骤4)、当地水平坐标转换到ECEF坐标： 

设当地水平坐标系原点的纬度为^B，精度为^L，则有 

。