CN108279420B - 同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，包括二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、影像数据获取单元，用于同时获取扫描地物三维立体空间中偏振信息、反射强度和三维彩色点云；本发明提供一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，结构紧凑简单、性能可靠稳定，成本低、精度适中、近距、可多维获取信息，可广泛应用于室内外多种环境下的带有偏振信息、反射强度信息的三维彩色点云数据获取，解决当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。

Description

同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及方法

技术领域

本发明涉及激光扫描多维近距遥感数据获取技术，尤其涉及一种同步获取地物偏振属性、反射强度和彩色点云信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法。

背景技术

遥感技术可以在远离目标和非接触目标的条件下探测目标物体，激光雷达作为一种新兴的主动遥感技术，因其可以快速、准确获取扫描对象表面三维点云数据，使三维激光雷达在三维建模、数字城市、文物保护、植物参数定量测量和反演等方面取得了大量成功应用。随着需求不断提出，对激光雷达的发展提出了新的要求。偏振激光雷达由于光束集中、脉冲能量大能够获取长距离气溶胶浓度的垂直廓线。反射强度能够反映扫描对象材质的反射电磁波的强弱能力，有助于探知目标的材料属性。彩色点云能够反映扫描目标光谱信息，有助于地物分类。当前，已有的三维激光雷达能够获取扫描对象的表面三维点云数据，但系统复杂、价格高昂、对于精度要求较低、近距扫描应用中性能明显过剩。而二维激光雷达测量扫描对象的距离信息和表面反射强度信息，仅能够获取平面廓线上的扫描距离，信息维度低、表现内容少，无法感知复杂三维场景。影像传感器可以记录拍摄目标的影像数据并感知环境的光照信息，能够反映拍摄对象颜色信息，但数据的可量测能力不足。现有的三维激光雷达技术还无法实现同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云信息，无法满足诸多应用领域对价格低廉、满足一定精度要求、近距、多维信息获取的要求，因此，迫切需要一种同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感装置和遥感数据获取技术方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，该系统是一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的低成本、精度适中、近距、可多维信息获取的激光雷达设备，能够解决当前尚未有一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，以及当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。

本发明提供的技术方案是：

一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统(装置)，可同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息。所述激光扫描多维近距遥感系统包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、脉冲信号电缆、供电电缆、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器、控制单元。其中，影像数据获取单元通过固定块与二维激光雷达连接固定，影像数据获取单元处于系统的最上部，二维激光雷达处于装置的中部，旋转台处于装置的下部，旋转偏振镜位于二维激光雷达正前方；二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由电源供电；高精度脉冲旋转台由连接底座通过脚架刚性固定连接；旋转偏振镜用于通过调节偏振镜旋转角度实现重复对场景进行扫描。影像数据获取单元的拍摄方向与二维激光雷达的扫描方向一致。二维激光雷达和高精度脉冲旋转台控制器由控制单元控制，通过信号传输电缆传输指令和接收信号。脉冲信号电缆连接高精度脉冲旋转台与控制单元；供电电缆连接电源、高精度脉冲旋转台与二维激光雷达；信号传输电缆连接二维激光雷达和控制单元，将扫描信号传输回控制单元；脉冲旋转台控制器用于控制高精度脉冲旋转台的转速；控制单元接收二维激光雷达扫描中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息，由控制单元计算得到带有反射强度信息的三维点云数据。影像数据获取单元同步获取的扫描场景图像，扫描场景图像在控制单元中生成全景影像与三维点云，点云与全景影像信息融合后生成彩色三维点云，从而得到扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。

针对上述同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统，具体实施时，所述二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由220V UPS电源供电。旋转偏振镜可人为调节偏振镜旋转角度，以每隔15(30或45)度角进行旋转。通过控制单元可以对二维激光雷达的扫描分辨率、扫描频率等参数进行设置。控制单元还可以对高精度脉冲旋转台控制器进行参数设置，间接控制高精度脉冲旋转台的转速。影像数据获取单元每隔72°拍摄一张彩色图像，同步获取的扫描场景的5幅图像。扫描场景的5幅图像在控制单元中生成全景影像，全景影像与三维点云，点云映射产生彩色三维点云。最终，装置产生扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。

本发明还提供一种利用上述同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统，同步获取地物偏振属性、反射强度和彩色点云数据的方法，包括如下步骤：

1)将本发明安置在扫描对象前(如：林木)，将偏振镜旋转到初始位置，接通电源，打开脉冲旋转台控制器，通过控制单元设置扫描范围和角分辨率参数并开始扫描。

2)通过二维激光雷达向扫描对象发射激光脉冲，根据光速与传播时间计算得到扫描对象在极坐标系下的距离信息，同时二维激光雷达内的激光器以设置的角度分辨率旋转并记录下转过的角度信息，以及相应的反射强度信息。然后，控制单元根据旋转台的转速与二维激光雷达获取廓线时间将极坐标系下的距离和角度信息转换为三维点云，标记为点云A。同时影像数据获取单元每隔72°拍摄一张彩色图像。

3)将旋转偏振镜转过一定角度，相同参数下重复对场景进行扫描，获取点云B。

4)采用迭代最近点(ICP)算法，将点云A和点云B进行配准，得到点云A中任一点在点云B中对应点组成点对，点对的反射强度差异即地物的偏振属性。

5)步骤2)获取的5张反射彩色图像，经拼接生成全景影像。全景影像与点云A或点云B做异源数据配准，得到三维点与全景相元映射关系，从而生成带有彩色信息的三维点云数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，包括二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、影像数据获取单元，用于同时获取扫描地物三维立体空间中偏振信息、反射强度和三维彩色点云。本发明提供兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，结构紧凑简单、性能可靠稳定，低成本、精度适中、近距、可多维获取信息，可广泛应用于室内外多种环境下的带有偏振信息、反射强度信息的三维彩色点云数据获取，获取的多种信息可用于大气气溶胶浓度反演、三维建模、植物参数反演。本发明能够解决当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。

附图说明

图1为本发明提供的同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及其相关应用领域。

图2为本发明实施例提供的同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统的结构图；

其中：1—影像数据获取单元；2—固定块；3—二维激光雷达；4—旋转偏振镜；5—高精度脉冲旋转台；6—连接底座；7—配套三角脚架；8—脉冲信号电缆；9—供电电缆I；10—信号传输电缆I；11—供电电缆II；12—信号传输电缆II；13—220V UPS电源；14—脉冲旋转台控制器；15—控制单元。

图3为利用本发明提供的激光扫描多维近距遥感系统同步获取地物信息的方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1表示了本发明提供的遥感系统的组成和相关应用领域。本发明将二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、影像数据获取单元一体化集成为能够同时获取扫描地物三维立体空间中偏振信息、反射强度和三维彩色点云的激光雷达设备。获取的多种信息可用于大气气溶胶浓度反演、三维建模、植物参数反演。本发明结构紧凑简单、性能可靠稳定，可广泛应用于室内外多种环境下的带有偏振信息、反射强度信息的三维彩色点云数据获取。

图2为本发明具体实施的同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统的结构图。如图2所示，上部影像数据获取单元1，由固定块与中部二维激光雷达3固定连接。中部二维激光雷达3与下部高精度脉冲旋转台4刚性连接固定为一体。旋转偏振镜4安放在二维激光雷达扫描方向正前方，可做15(30或45)度角旋转。高精度脉冲旋转台5由连接底座6与配套脚架7刚性连接固定。影像数据获取单元1位于平台的顶端，二维激光雷达3位于影像数据获取单元1下方和高精度脉冲旋转台5上方。影像数据获取单元1的拍摄方向与二维激光雷达3扫描方向一致，二者随着高精度脉冲旋转台5的旋转而旋转。影像数据获取单元1和二维激光雷达3固定在旋转台上可在X-Y平面上做360°旋转，如图2所示。连接底座6位于装置的最下方，通过连接底座6可将装置固定在配套三角架7上。在数据采集过程中，220V UPS电源13通过供电电缆I9和供电电缆I11分别为脉冲旋转台5和激光雷达3持续供电。通过信号传输电缆II12，控制单元15向旋转台控制器14发送旋转速度、加速度参数，旋转台控制器14根据设置的参数控制高精度脉冲旋转台5在X-Y平面进行旋转，如图2。控制单元15向激光雷达3发送数据采集范围、扫描分辨率、返回信息类型的参数，激光雷达3接收由控制器发送的电文并实时传输扫描中心距扫描目标表面的距离、扫描角度、扫描时间、反射强度信息。旋转偏振片4可以获得不同偏振信息下的反射数据。在控制单元15中将距离信息转换为带有偏振、强度信息的三维点云数据，并将影像数据获取单元1的5幅影像数据拼接为全景影像，然后与点云数据进行融合，将影像具有的彩色信息映射给三维点云数据，最终生成兼具偏振、反射强度和彩色的三维点云数据。

图3所示为利用本发明提供的激光扫描多维近距遥感系统同步获取地物信息的方法流程。利用上述同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统，同步获取地物偏振属性、反射强度和彩色点云数据，具体实施时，包括如下步骤：

1)使用供电电缆I9和供电电缆II10分别将脉冲旋转台控制器14和激光雷达3与220VUPS电源13连接，220V UPS电源为二者持续供电，220V UPS电源能够确保扫描过程中稳定不间断的为设备供电。

2)控制单元15通过信号传输电缆I10向脉冲旋转台控制器14发送旋转台旋转速度参数，间接控制高精度脉冲旋转台4的旋转速度，根据不同的扫描分辨率需求，可以控制最终产生的三维点云数据在与X-Y平面平行平面上的扫描分辨率。

3)控制单元15通过信号传输电缆II12连接激光雷达，设置扫描起止角度、扫描分辨率、输出数据类型，然后确认，开始扫描。针对不同的目标可灵活设置扫描范围和分辨率，从而减少冗余点云数量节省点云数据处理时间。

4)偏振镜4可以15(30或45)°间隔做360°的旋转，默认固定角度为0°，扫描前固定好偏振角度。

5)默认参数情况下激光雷达在Y-Z平面上以角度分辨率θ获取距离、反射强度和每条扫描廓线的时间信息，Y-Z平面上垂直扫描范围可在-5°至185°间设置[α₁,α₂]。

6)高精度脉冲旋转台在X-Y平面上匀速旋转，根据旋转台旋转速度和激光雷达记录的扫描时间可以精确计算出二维激光雷达转过的角度。这里已经得到了三维空间二维激光雷达扫描中心距离目标的距离、反射强度、扫描廓线时间、X-Y平面上转过的角度和全景影像。

7)利用步骤5)和6)获取的扫描中心距离目标物的距离、测距角分辨率、扫描廓线时间、高精度旋转台的转速，可根据式1生成三维空间下的扫描对象的带有反射强度信息的三维点云数据。

步骤5)记录的距离和扫描强度信息为个，θ为测距时的角度分辨率。使用公式1根据极坐标系的距离r和角度θ，激光雷达每一次扫描记录下的时间为t，旋转台的转速v，生成实际场景下的三维点云。

8)固定本装置位置，以相同的参数设置，分别以偏振镜初始位置和选装后的位置获取两组点云A和B，对两组点云A和B使用迭代最近点(ICP)算法配准A和B点云。最近点构成点对，点对的反射强度差异由偏振镜不同旋转位置引起。计算所有点对的反射强度差异作为扫描对象的偏振属性。

9)影像数据获取单元每隔72°记录一次扫描场景的影像数据，一周360°可获取5张影像数据，将获取的5张影像数据进行配准生成一张宽W高H的全景影像。根据公式2可以建立点云与影像数据的映射关系。根据映射将全景影像中像元的RGB值映射给三维点云，产生彩色三维点云。

其中，m和n分别为点云映射在全景影像上的位置。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种激光扫描多维近距遥感系统，包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器和控制单元；用于同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息；

所述影像数据获取单元位于系统的上部；二维激光雷达置于系统的中部；高精度脉冲旋转台位于系统的下部；旋转偏振镜位于二维激光雷达正前方；高精度脉冲旋转台由连接底座通过脚架刚性固定连接；影像数据获取单元通过固定块与二维激光雷达固定连接；

影像数据获取单元用于每隔一定角度拍摄获取扫描场景图像；二维激光雷达用于扫描得到中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息；影像数据获取单元的拍摄方向与二维激光雷达的扫描方向一致；

二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由电源供电；脉冲旋转台控制器用于控制高精度脉冲旋转台的转速；旋转偏振镜用于通过调节偏振镜旋转角度实现重复对场景进行扫描；

控制单元用于控制二维激光雷达和脉冲旋转台控制器，通过信号传输电缆传输指令和接收信号，包括：接收二维激光雷达扫描得到的中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息，并计算得到带有反射强度信息的三维点云数据；接收影像数据获取单元同步获取的扫描场景图像，生成全景影像与三维点云；再将点云与全景影像信息进行融合，生成彩色三维点云，由此得到扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。

2.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，所述电源为220V UPS电源。

3.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，可人为调节偏振镜的旋转角度，以每隔15度、30度或45度角进行旋转。

4.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，所述控制单元用于设置二维激光雷达的扫描分辨率和扫描频率参数；还可用于设置脉冲旋转台控制器的转速参数；

5.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，影像数据获取单元拍摄彩色图像的间隔角度为72°，同步获取的扫描场景图像为5幅。

6.一种利用激光扫描多维近距遥感系统同步获取地物信息的方法，同步获取地物信息包括地物偏振属性、反射强度和彩色点云数据；所述系统包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器和控制单元；所述同步获取地物信息的方法包括如下步骤：

1)将所述系统安置在扫描对象前，将旋转偏振镜旋转到初始位置，接通电源，打开脉冲旋转台控制器，设置扫描参数，开始扫描；

2)通过二维激光雷达扫描获取扫描对象在极坐标系下的距离、角度及相应的反射强度信息；控制单元根据旋转台的转速将极坐标系下的距离信息和角度信息转换为三维点云，标记为点云A；同时通过影像数据获取单元每隔72°拍摄得到一张彩色图像，共获取5张反射彩色图像；

3)将旋转偏振镜转过一定角度，相同参数下重复对场景进行扫描，获取点云B；

4)采用迭代最近点ICP算法，将点云A和点云B进行配准，得到点云A中任一点在点云B中对应点组成点对，点对的反射强度差异即地物的偏振属性；

5)将步骤2)获取的5张反射彩色图像拼接生成全景影像；全景影像与三维点云做异源数据配准，得到三维点与全景相元映射关系，从而生成带有彩色信息的三维点云数据。

7.如权利要求6所述的同步获取地物信息的方法，其特征是，步骤2)获得点云A，具体通过式1计算得到：

式1中，r为极坐标系的距离；θ为极坐标系的角度；激光雷达每一次扫描记录下的时间为t；旋转台的转速v；生成实际场景下的三维点云，即点云A。

8.如权利要求6所述的同步获取地物信息的方法，其特征是，步骤5)具体将获取的5张影像数据进行配准生成一张宽为W高为H的全景影像；再通过式2建立点云与影像数据的映射关系：

其中，m和n分别为点云映射在全景影像上的位置；根据映射将全景影像中像元的RGB值映射给三维点云，由此产生彩色三维点云。