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SSW车载移动测量系统及其应用
刘先林?
摘 要：基于激光扫描仪的SSW车载移动测量系统由数据采集和点云数据处理两大模
块构成。本文详细介绍了系统的硬件构成、工作原理、关键技术，以及基于JX4－G硬件平台的点云数据处理系统（DY-2点云工作站）的基本功能，分析了系统的优势、应用领域。展望了系统的应用前景和今后的研究方向。
关键词：激光扫描仪 移动测量 组合导航 点云工作站
一 引言
移动测量系统(Mobile Mapping System, MMS)是20 世纪90 年代兴起的一种快速、高效、无地面控制的测绘技术。
最初人们利用摄影测量技术集成组合导航技术构建移动测量系统，实现地面移动摄影测量，获取目标地物的影像和空间信息数据。由于地面摄影测量自身的局限性（视距变化大且短，同名点自动匹配困难等），系统所测数据精度较低，数据处理工作量大。
激光测距技术出现后，很快在测绘领域展开应用。先后出现了激光测距仪和激光扫描仪。新一代的移动测量系统就是将激光扫描仪、组合导航系统和CCD相机集成实现移动中直接获取目标物绝对坐标和纹理信息等数据的。由于地面测量环境复杂，GPS信号经常失锁，集成车载激光扫描移动测量系统（以下简称移动测量系统）技术难度很大。但其数据处理自动化程度高，数据结果直观，精度高。
SSW车载移动测量系统（以下简称SSW系统）（见图1）就是以激光扫描仪为主要传感器的新一代移动测量系统。
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二 SSW系统结构与工作原理
（一）系统结构
SSW系统由激光扫描仪、IMU、GPS、里程计、线阵相机、面阵相机、电动转台、供电和 ?
刘先林，中国工程院院士，研究员，博士生导师，中国测绘科学研究院名誉院长。
控制系统（笔记本电脑）、车载升降平台构成。各模块通过机械结构集成为一体，以GPS时间为主线保证时间的同步和协调，通过相互间结构关系解求所测目标点绝对坐标。
图1. SSW车载移动测量系统
车载升降平台和电动转台是系统搭建的基础平台。车载平台由全顺车改装而成，在车子后半部分安装升降平台并在顶部开窗。扫描系统安置在平台上，工作时打开天窗，将系统升到车外，任务完成后收回车内。这样的设计安全、可靠，便于停放和远距离作业。系统通过电动转台的旋转实现“转扫”，使系统达到“定点”扫描的效果。与地面激光扫描仪不同的是，系统采用组合导航数据确定平台的实时姿态，定点扫描结果是绝对坐标，无需拼站。
激光扫描仪是系统核心传感器之一，通过高速距离和角度测量，获取大量目标点的坐标，由中国科学院光电研究院研制。
其标称技术参数如下： ? 测量距离范围：2.2m-300m； ? 激光扫描点频率：50-200KHZ； ? 扫描角度：360°； ? 测距精度：2cm/100m； ? 测角精度：0.1mRad；
? 激光扫描线频率：30-50 scans/sec。
IMU通过陀螺仪和加速度计采集载体在三个坐标分量上的角速度和加速度量，积分计算
得到载体姿态和位置信息。系统采用航天三院成熟产品POS90和POS50。此系列IMU采用激光陀螺仪组合而成，精度高，初始对准时间短。
其主要性能指标如下： ? 初始姿态精度：≤0.01°；
? 初始航向精度： ≤ 0.05 °sec（L）（L为当地纬度）； ? 姿态航向保持： ≤0.05 °/h； ? 初始对准时间： ≤5min； ? 数据输出频率：200HZ。
系统通过集成的CCD相机获取目标纹理信息，可采用面阵相机或线阵相机。面阵相机的标定、影像畸变改正技术已比较成熟，但其获取的大部分影像对目标的入射角与点云数据不相同，到边缘部分差别会很大，这就导致生成的彩色点云中部分数据不正确。线阵相机与激光扫描仪工作方式基本一致，扫描线基本平行，目标遮挡情况基本一致，彩色点云融合正确率高。
（二）系统工作原理
系统通过GPS使激光扫描仪、IMU、相机和里程计统一为同一时间系统——GPS时间系统，使得系统每时刻数据协同一致。里程计、GPS和IMU采集的数据用来进行组合导航，获取系统每时刻的姿态和位置数据。激光扫描仪和相机用来获取目标地物的坐标和影像数据，结合姿态数据融合生成带有绝对坐标的彩色点云数据。
系统工作原理和各传感器间数据流转关系如图2所示。
三 SSW系统关键技术
SSW系统的关键技术主要有：①系统各传感器的机械集成、时间同步；②数据采集传感器的标定技术；③传感器间相对外方位元素标定；④高精度彩色点云解算。
（一）传感器的机械集成、时间同步
系统的集成是系统数据采集和解算的基础。机械集成就是将各传感器按设计的位置和姿态机械安装在一起。机械集成方案有多种，不同方案会产生不同的作用和功效，系统正常作业时采用激光扫描仪倾斜工位，以保证能够采集到车下方的地面数据。
相机 时间流 图2. 各传感器间数据流转关系
时间同步是移动测量系统各传感器间联系的纽带，是系统标定和数据解算的基础。时间同步技术是系统集成的核心技术之一。各传感器以GPS时间为主线，形成一个有机的统一体。系统时间同步方案为：GPS输出秒脉冲PPS（Pulses Per Second）和时间标签给IMU和激光扫描仪，实现IMU和激光扫描仪与GPS时间对齐（同步）；激光扫描仪发出带有时间信息的外触发脉冲给线阵相机，实现线阵相机的曝光时间与GPS时间对齐；里程计脉冲直接以事件标记形式打入GPS，GPS对其记数的同时记录了每个脉冲的GPS时间；里程计每隔一定脉冲数（定距）为面阵相机输出触发脉冲，实现面阵相机的定距离曝光；面阵相机的Flash信号记录到GPS，实现面阵相机时间与GPS的同步。
在数据采集过程中，各传感器在采集数据的同时，相互间会有一定的数据交换和传递，以保证各传感器间的时间同步和数据采集的正确性。
彩色点云 数据流 影像数据 扫描数据 组合导航 LS 里程计 目标地物 GPS IMU （二）数据采集传感器的标定技术
单个传感器的测量精度直接影响着系统的最终测量结果。数据采集传感器的标定是其测量精度的保证，是系统研究的关键技术之一。
激光扫描仪和线阵相机都靠扫描实现数据采集，只有动态情况下采集的数据才能够识别