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(多图) 基于多传感器融合的车载三维测量系统时空配准 车载三维测量

作者:传感器与微系统 /石波 卢秀山等?? 2007年12月19日 ?? 收藏0

  0 引 言

  城市三维空间信息的获取是“数字城市”的基本工程,它具有位置性、多维性和时序性等特点,是“数字城市”中融合其他各种信息、形成在空间和时间上连续分布的城市综合信息的基础,这就决定了所获取的城市三维空间信息应具有一定的位置精度、时间精度以及完整的空间坐标描述形式,而过去只依赖于某种特定传感器的三维信息相对于这些要求就具有很大的局限性。因此,当前城市三维空间信息的获取的趋势是由利用单个特定传感器获取单一数据信息,向利用多个传感器获取多方面数据信息发展,将多种类型的传感器进行优化配置信息互补,从而使得系统的精度得到很大提高。这就涉及到如何对多种传感器进行信息获取和信息融合的问题。

  多传感器数据融合处理的前提条件是从每个传感器获得的信息必须是在同一个空间的同一时刻的描述。这就包括2个方面:首先,要保证每个传感器得到的信息是在同一坐标系下的描述,称之为空间配准;其次,要保证各传感器之间的数据应该在时间上对齐,称之为时间配准,是上面所提到多传感器融合中空间配准的关键,在车载式三维采集系统的动态工作环境下,时间对准问题表现得尤为突出。

  因此,多传感器信息的空间配准和

时间配准成为城市三维空间信息融合中首先需要实现的关键技术。本课题系统集成了新近发展的多种传感器,包括3台Novetel GPS DL-4 OEM接收机、Riegl公司的LMS-Q140i-80激光扫描仪等,可以实时完成载体(车)的GPS定位数据、建筑物激光扫描数据等数据信息的采集及精确的空间和时间上的配准,从而实现有效的多传感器信息融合。

  1 多传感器空间配准

  对于车载近景三维测量系统,每个传感器得到的信息都是部分城市三维空间信息在该传感器空间(坐标系)中的描述。由于各传感器物理特性和空间位置上的差异,造成这些信息的描述空间(坐标系)各不相同,因此,很难对这样的信息进行融合处理。为了保证城市三维信息融合处理的顺利进行,必须在融合前对这些信息进行适当的处理,将这些传感器的数据信息映射到一个共同的参考描述空间(参考坐标系)中,然后,进行融合处理,最后,得到城市三维信息在该空间(参考坐标系)上的一致描述。这就需要空间配准,也就是得到多传感器局部坐标系和全局参考坐标系间的转换关系,在本课题里选择的全局参考坐标系就是西安80坐标系。从数学的角度来看,不同的传感器的测量值组成一个测量子空间,而信息融合则是各测量子空间按照一定的法则向融合信息空间投影,这里的测量子空间就是在各个传感器的局部坐标系下。

  为了进行空间配准,从而实现该课题中激光扫描仪(LMS)数据与GPS数据的有效融合,本文引人了激光扫描仪坐标系统、激光扫描仪直角坐标系统、平台坐标系统和基准参考坐标系统(西安80坐标系)。

  1.1 各坐标系统定义

  1) 激光扫描仪极坐标系统

  Riegl公司的LMS-Q140i-80激光扫描仪的扫描角度范围为±40°,图1给出了该扫描仪的扫描示意图,建立一个激光扫描仪的局部极坐标系统(ρ,θ),极轴为圆柱体轴线方向,极角θ为扫描仪扫描方向与极轴之间的夹角。

扫描示意图

  2) 激光扫描仪直角坐标系统

  激光扫描仪直角坐标系统(XL,YL,ZL)的原点OL与激光扫描仪极坐标系统的原点重合,ZL与极轴平行,方向向上,YL方向为车行方向,XL-OL-ZL平面与极平面重合,3轴构成右手坐标系。

  3) 平台坐标系统

  引入平台坐标系统的目的是将3个GPS天线位置数据转换为平台的姿态。如图2,平台坐标系统原点OG位于GPS1天线相位中心,XG轴为GPS2和GPS3相位中心连线的方向,且位于GPS1,GPS2和GPS3天线相位中心连线构成的平面内,YG轴也位于该平面内,ZG轴垂直于此平面向上,构成右手坐标系。

平台坐标系统

  4) 基准参考系统(西安80坐标系)

  X轴沿O所在的经纬度线指向东,轴沿O所在经纬度指向北,z轴指向天顶,X,Y,Z指向天顶。

  1.2 各坐标系统间转换

  1) 扫描仪极坐标系统向扫描仪直角坐标系统转换

  扫描仪极坐标系统的极点与扫描仪坐标系统的原点重合,极轴与ZL轴重合,但方向相反,极平面与XL-OL-ZK平面重合,两坐标系统转换关系可表示为
转换关系

  式中ρ,θ为扫描点在扫描仪极坐标系统下坐标值;XL,YL,ZL为扫描点在扫描仪坐标系统下坐标值。

  2) 扫描仪坐标系统向平台坐标系统转换

  扫描仪坐标系统OL-XLYLZL向平台坐标系统OG-XGYGZG转换可用一般的2个空间直角坐标系转换公式表达
坐标系转换公式
坐标系转换公式

  XT,YT,ZT,φ,ω和k为两坐标系统间的6个转换参数,转换参数可通过外业测量加以标定。


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