CN106969721A - 一种三维测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维测量方法及其测量装置。其中，所述方法包括：A、在无人飞行平台上设置激光传感器和光学传感器；B、通过激光传感器测量地物的三维信息，获得激光点云数据；C、通过光学传感器采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；D、通过定位定资系统获取无人飞行平台的飞行参数；E、同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；F、计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据；G、对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。该三维测量装置设备体积小，测量精度高，能够在各应用领域发挥极大的作用。

Description

一种三维测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，尤其涉及一种三维测量方法及其测量装置。

背景技术

应用激光及图像技术能够测量地物的信息。其中，激光扫描系统作为一项新的信息获取手段，其极大的拓宽了数据来源范围。激光扫描能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型以及地面物体的三维坐标，在国土资源调查及测绘等相关领域具有广阔的应用前景。它的发展为获取高时空分辨率的空间信息提供了一种全新的技术手段，使数据的获取和处理朝智能化和自动化的方向更进了一步。

另外，激光扫描技术的出现推动了计算机视觉、摄影测量等领域的进一步发展。由于激光扫描系统主要用于获取地物的几何信息，使用过程中通常会和光学图像传感器进行配合，获取地物的纹理及颜色信息并进行融合，获得目标测绘结果。

传统的机载平台，需要人工操作，飞行高度及成本较高。但近年来，无人机技术得到了广泛的发展，改变了传统的飞行平台费用昂贵，操作复杂的缺点，特别是对于小区域、精细化作业提供了便利。但现有的三维测量装置在使用上仍存在着较多的不便，装置的体积较大。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种三维测量方法及其测量装置，旨在解决现有技术中三维测量设备使用上不够便利的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种三维测量方法，其中，包括：

A、在无人飞行平台上设置激光传感器和光学传感器；

B、通过激光传感器测量地物的三维信息，获得激光点云数据；

C、通过光学传感器采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；

D、通过定位定资系统获取无人飞行平台的飞行参数；

E、同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；

F、计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据；

G、对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。

所述的方法，其中，所述步骤F具体包括：

F1、以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插；

F2、获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

所述的方法，其中，所述步骤D具体包括：

D1、在所述无人飞行平台使用双天线，通过DGPS系统获取所述无人飞行平台的第一飞行参数。

D2、通过惯导系统获取所述无人飞行平台的第二飞行参数。

所述的方法，其中，所述步骤E具体包括：

E1、使用独立设置的时间同步电路板，精确记录不同数据的采集时刻；

E2、将所有数据的时钟统一为GPS的世界时钟。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：

F1、通过如下算式预测在前时刻的飞行轨迹：

其中，系统的状态值为x，代表所述无人飞行平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声；

F2、通过如下算式更新状态变量x的协方差矩阵：

F3、通过如下算式计算观测值：

F4、计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新；

所述状态值为所述无人飞行平台的位置、速度及加速度；所述观测值为DGPS相对于惯导系统获取位置的差异。

一种三维测量装置，其中，所述装置包括：无人飞行平台、设置在所述无人飞行平台上的激光传感器、光学传感器、定位定资系统以及数据处理模块；

所述激光传感器用于，测量地物的三维信息，获得激光点云数据；

所述光学传感器用于，采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；

所述定位定资系统用于，获取无人飞行平台的飞行参数；

所述数据处理模块用于：同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据以及对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。

所述的三维测量装置，其中，所述数据处理模块具体用于：

以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插；

获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

所述的三维测量装置，其中，所述所述定位定资系统包括DGPS系统以及惯导系统；

所述DGPS系统使用双天线，获取所述无人飞行平台的第一飞行参数；

所述惯导系统用于获取所述无人飞行平台的第二飞行参数。

所述的三维测量装置，其中，所述数据处理模块包括一独立设置的时间同步电路板：

所述时间同步电路板，用于精确记录不同数据的采集时刻；以及将所有数据的时钟统一为GPS的世界时钟。

所述的三维测量装置，其中，所述计算单元具体用于：

通过如下算式预测在前时刻的飞行轨迹：

其中，系统的状态值为x，代表所述无人飞行平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声；

通过如下算式更新状态变量x的协方差矩阵：

通过如下算式计算观测值：

计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新；

所述状态值为所述无人飞行平台的位置、速度及加速度；所述观测值为DGPS相对于惯导系统获取位置的差异。

有益效果：本发明提供的一种三维测量方法及其测量装置，该方法以无人机为平台，搭载轻量激光器及图像传感器，获取被测区域的精细信息。并且使用时间同步及多传感器集成的方法，能够获取同一基准框架下的地物测量信息实现各个传感器获取的数据的无缝、高精度融合。整个三维测量装置设备体积小，测量精度高，能够在各应用领域发挥极大的作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三维测量方法的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的三维测量方法的数据处理过程示意图；

图3为本发明实施例提供的三维测量装置的功能框图。

具体实施方式

本发明提供一种三维测量方法及其测量装置。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种三维测量方法。所述三维测量方法包括：

步骤S100、在无人飞行平台上设置激光传感器和光学传感器。

步骤S200、通过激光传感器测量地物的三维信息，获得激光点云数据。

基于无人飞行平台的载重量限制，在一些实施例中，可以选择HDL-32E激光扫描仪。该激光扫描仪具有体积小(重量小于2KG)的特点，其扫描距离1m～100m，扫描点数达70万点/秒，可很好的应用与无人机载体进行激光扫描。

步骤S300、通过光学传感器采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片。

在本实施例中，分别通过无人飞行平台上搭载的激光传感器获取测量目标的三维信息(原始数据为激光点云数据)，通过光学传感器获取测量目标的纹理和颜色信息(即像片)。

步骤S400、通过定位定资系统获取无人飞行平台的飞行参数。除获取到上述与测量目标相关的信息外，还需要确定对应时刻无人飞行平台的位置以及姿态等信息以保证最终获得的融合数据能够在同一基准下，是测量目标的准确三维位置数据。

在本实施例中，可以使用特定的定位定姿系统来计算获取无人飞行平台的飞行路线的准确位置和角度信息，作为后续数据融合的依据。具体的，所述定位定资系统可以包括：DGPS(差分GPS)系统和惯导系统。

其中，对于DGPS系统，包括机载GPS和地面基站GPS两部分。机载GPS进行数据采集，并与地面基站GPS差分求解后，即可获得无人机飞行平台的高精度坐标信息。由于无人飞行平台在使用过程中，还可能发生旋转或者姿态的改变。因此，可以使用双GPS天线，用以辅助测定无人飞行平台的位置和姿态。

对于惯导系统(IMU)，其可以根据惯性空间的力学定律，利用陀螺仪和加速计等惯性元件感受运动载体在运动过程中旋转角速度和加速度，通过饲服系统的地垂跟踪或坐标旋转变换，在一定坐标体系内积分计算，最终得到运动体(即无人飞行平台)的相对位置、速度和姿态等参数。结合无人飞行平台的载重能力和惯导系统的性能考虑，在一些实施例中，可以选择使用KVH1775型惯导系统。

步骤S500、同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下。由于在本三维测量方法中，存在着多种传感器(例如激光传感器、光学图像传感器、惯导系统内的惯性元件等)进行不同的数据采集，各个传感器使用的时间基准并不相同。因此，在整合前，需要将各个数据的时钟进行统一处理。

在本实施中，使用独立设置的时间同步电路板，精确记录不同数据的采集时刻。然后，将所有数据的时钟统一为一个时间基准下，例如可以将所有传感器的时间同步规化到GPS的世界时的时间基准下。

在另一些实施例中，还可以使用软件控制的方法实现上述时间同步过程。

步骤S600、计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据。

如上所述，飞行轨迹的精确计算是数据融合的基础。具体的，可以融合IMU和DGPS数据，通过卡尔曼滤波紧耦合的方式，获取无人飞行平台的飞行轨迹数据。

由于各种传感器存在随机误差，因此采用最优化估计方法对系统进行滤波处理，能够有效地提高定位精度和可靠性。在本实施例中，可以采用非追踪卡尔曼滤波器方法。

其中，状态值为飞行平台的位置、速度、加速度，观测值为DGPS于IMU获取位置的差异。采用卡尔曼滤波进行状态预测以及测量更新后，可以获取精确的飞行轨迹。

具体飞行轨迹计算的方法如下所述。

首先通过前一时刻的轨迹数据进行预测：

(1)

其中，系统的状态变量为x，代表移动平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声。

更新状态变量x的协方差矩阵：

(2)

计算观测值

(3)

通过计算计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新：

(4)

(5)

(6)

获取精确的飞行轨迹后，可以根据时间戳的信息，将不同的传感器采集数据融合到同一基准平台下，就可以获取精确内外方位元素的像片以及纠正好位置的点云数据。最后两者融合可以产生融合颜色的融合点云数据。

由于激光点云数据的采集时刻以及输出的轨迹数据的时间时刻，都是离散的，并没有完全对齐。因此执行如下步骤：首先，以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插。然后，获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

步骤S700、对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。最终输出的融合点云数据中，整合了像片提供的测量区域精确的纹理信息，点云数据提供的测量区域精确的纹理地物形状信息。

在实际使用过程中，可以根据实际情况的，对其进行深加工，获取对应的目标数据，例如数据正射影像，数字线画图，数字高程模型以及数字表面模型等。

图2为本发明实施例提供的无人飞行平台进行三维测量的数据处理过程。如图2所示，整个三维测量的过程可以大致分为航摄准备、数据采集以及数据处理三个阶段。

在航摄准备阶段，包括对无人飞行平台的航摄设计，设备的安装测试以及为DGPS系统进行的GPS基准站布设、校验现场布设等步骤。

然后，由无人飞行平台进行航摄飞行，获取测量目标的相关数据。

在本实施例中，航摄飞行中获取的数据包括：航摄像片、IMU数据、机载GPS数据、基站GPS数据以及激光点云数据。并且使用IMU数据、机载GPS数据、基站GPS数据进行整合，确定所述无人飞行平台精确的飞行轨迹。

在数据处理阶段：对于航摄像片进行分析处理，完成像片的内定向和外定向。对于获取的原始激光点云数据进行处理，形成分类点云数据。

上述数据均整合在同一个基准平台中，由此可以根据实际情况的需要，深加工后形成对应的数字正射影像，数字线画图，数字高程模型以及数字表面模型。

本发明实施例还提供了一种三维测量装置。如图3所示，为所述装置的功能框图。该装置包括：无人飞行平台100、设置在所述无人飞行平台上的激光传感器200、光学传感器300、定位定资系统400以及数据处理模块500。

其中，所述激光传感器用于，测量地物的三维信息，获得激光点云数据；所述光学传感器用于，采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；所述定位定资系统用于，获取无人飞行平台的飞行参数；所述数据处理模块用于：同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据以及对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。

具体的，所述数据处理模块具体用于：以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插；获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

更具体的，如图3所示，所述定位定资系统400包括DGPS系统410以及惯导系统420。所述DGPS系统使用双天线，获取所述无人飞行平台的第一飞行参数；所述惯导系统用于获取所述无人飞行平台的第二飞行参数。

在一些实施例中，所述数据处理模块500包括：独立设置的时间同步电路板：所述时间同步电路板，用于精确记录不同数据的采集时刻；以及将所有数据的时钟统一为GPS的世界时钟。

具体的，所述计算单元具体用于：通过如下算式预测在前时刻的飞行轨迹：

其中，系统的状态值为x，代表所述无人飞行平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声；

通过如下算式更新状态变量x的协方差矩阵：

通过如下算式计算观测值：

计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新；所述状态值为所述无人飞行平台的位置、速度及加速度；所述观测值为DGPS相对于惯导系统获取位置的差异。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维测量方法，其特征在于，包括：

A、在无人飞行平台上设置激光传感器和光学传感器；

B、通过激光传感器测量地物的三维信息，获得激光点云数据；

C、通过光学传感器采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；

D、通过定位定资系统获取无人飞行平台的飞行参数；

E、同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；

F、计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据；

G、对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：

F1、以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插；

F2、获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

D1、在所述无人飞行平台使用双天线，通过DGPS系统获取所述无人飞行平台的第一飞行参数。

D2、通过惯导系统获取所述无人飞行平台的第二飞行参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：

E1、使用独立设置的时间同步电路板，精确记录不同数据的采集时刻；

E2、将所有数据的时钟统一为GPS的世界时钟。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤F具体包括：

F1、通过如下算式预测在前时刻的飞行轨迹：

其中，系统的状态值为x，代表所述无人飞行平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声；

F2、通过如下算式更新状态变量x的协方差矩阵：

F3、通过如下算式计算观测值：

F4、计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新；

所述状态值为所述无人飞行平台的位置、速度及加速度；所述观测值为DGPS相对于惯导系统获取位置的差异。

6.一种三维测量装置，其特征在于，所述装置包括：无人飞行平台、设置在所述无人飞行平台上的激光传感器、光学传感器、定位定资系统以及数据处理模块；

所述激光传感器用于，测量地物的三维信息，获得激光点云数据；

所述光学传感器用于，采集地物的纹理及颜色信息，获得若干像片；

所述定位定资系统用于，获取无人飞行平台的飞行参数；

所述数据处理模块用于：同步所述激光点云数据、像片以及所述飞行参数的时间至同一个时间基准下；计算获取所述无人飞行平台的飞行轨迹，并且与对应的激光点云数据和像片融合，形成融合点云数据以及对所述融合点云数据进行对应的加工处理，获得目标输出数据。

7.根据权利要求6所述的三维测量装置，其特征在于，所述数据处理模块具体用于：

以所述激光点云数据的采集时刻为基准，对所述飞行轨迹进行内插；

获取所述激光点云数据在采集时刻，所述无人飞行平台精确的位置及姿态数据。

8.根据权利要求6所述的三维测量装置，其特征在于，所述所述定位定资系统包括DGPS系统以及惯导系统；

所述DGPS系统使用双天线，获取所述无人飞行平台的第一飞行参数；

所述惯导系统用于获取所述无人飞行平台的第二飞行参数。

9.根据权利要求8所述的三维测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括一独立设置的时间同步电路板：

所述时间同步电路板，用于精确记录不同数据的采集时刻；以及将所有数据的时钟统一为GPS的世界时钟。

10.根据权利要求8所述的三维测量装置，其特征在于，所述计算单元具体用于：

通过如下算式预测在前时刻的飞行轨迹：

其中，系统的状态值为x，代表所述无人飞行平台的位置、速度以及加速度；w为高斯白噪声；

通过如下算式更新状态变量x的协方差矩阵：

通过如下算式计算观测值：

计算卡尔曼增益，并且对状态变量及其协方差矩阵进行更新；

所述状态值为所述无人飞行平台的位置、速度及加速度；所述观测值为DGPS相对于惯导系统获取位置的差异。