基于多傳感器數(shù)據(jù)融合處理實(shí)現(xiàn)與城市三維空間和時間配準(zhǔn)

引 言

城市三維空間信息的獲取是“數(shù)字城市”的基本工程，它具有位置性、多維性和時序性等特點(diǎn)，是“數(shù)字城市”中融合其他各種信息、形成在空間和時間上連續(xù)分布的城市綜合信息的基礎(chǔ)，這就決定了所獲取的城市三維空間信息應(yīng)具有一定的位置精度、時間精度以及完整的空間坐標(biāo)描述形式，而過去只依賴于某種特定傳感器的三維信息相對于這些要求就具有很大的局限性。因此，當(dāng)前城市三維空間信息的獲取的趨勢是由利用單個特定傳感器獲取單一數(shù)據(jù)信息，向利用多個傳感器獲取多方面數(shù)據(jù)信息發(fā)展，將多種類型的傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置信息互補(bǔ)，從而使得系統(tǒng)的精度得到很大提高。這就涉及到如何對多種傳感器進(jìn)行信息獲取和信息融合的問題。

多傳感器數(shù)據(jù)融合處理的前提條件是從每個傳感器獲得的信息必須是在同一個空間的同一時刻的描述。這就包括2個方面：首先，要保證每個傳感器得到的信息是在同一坐標(biāo)系下的描述，稱之為空間配準(zhǔn)；其次，要保證各傳感器之間的數(shù)據(jù)應(yīng)該在時間上對齊，稱之為時間配準(zhǔn)，是上面所提到多傳感器融合中空間配準(zhǔn)的關(guān)鍵，在車載式三維采集系統(tǒng)的動態(tài)工作環(huán)境下，時間對準(zhǔn)問題表現(xiàn)得尤為突出。

因此，多傳感器信息的空間配準(zhǔn)和時間配準(zhǔn)成為城市三維空間信息融合中首先需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。本課題系統(tǒng)集成了新近發(fā)展的多種傳感器，包括3臺Novetel GPS DL-4 OEM接收機(jī)、Riegl公司的LMS-Q140i-80激光掃描儀等，可以實(shí)時完成載體（車）的GPS定位數(shù)據(jù)、建筑物激光掃描數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息的采集及精確的空間和時間上的配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)有效的多傳感器信息融合。

1、 多傳感器空間配準(zhǔn)

對于車載近景三維測量系統(tǒng)，每個傳感器得到的信息都是部分城市三維空間信息在該傳感器空間（坐標(biāo)系）中的描述。由于各傳感器物理特性和空間位置上的差異，造成這些信息的描述空間（坐標(biāo)系）各不相同，因此，很難對這樣的信息進(jìn)行融合處理。為了保證城市三維信息融合處理的順利進(jìn)行，必須在融合前對這些信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，將這些傳感器的數(shù)據(jù)信息映射到一個共同的參考描述空間（參考坐標(biāo)系）中，然后，進(jìn)行融合處理，最后，得到城市三維信息在該空間（參考坐標(biāo)系）上的一致描述。這就需要空間配準(zhǔn)，也就是得到多傳感器局部坐標(biāo)系和全局參考坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在本課題里選擇的全局參考坐標(biāo)系就是西安80坐標(biāo)系。從數(shù)學(xué)的角度來看，不同的傳感器的測量值組成一個測量子空間，而信息融合則是各測量子空間按照一定的法則向融合信息空間投影，這里的測量子空間就是在各個傳感器的局部坐標(biāo)系下。

為了進(jìn)行空間配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)該課題中激光掃描儀（LMS）數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)的有效融合，本文引人了激光掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)、激光掃描儀直角坐標(biāo)系統(tǒng)、平臺坐標(biāo)系統(tǒng)和基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系統(tǒng)（西安80坐標(biāo)系）。

1.1 各坐標(biāo)系統(tǒng)定義

1） 激光掃描儀極坐標(biāo)系統(tǒng)

Riegl公司的LMS-Q140i-80激光掃描儀的掃描角度范圍為±40°，圖1給出了該掃描儀的掃描示意圖，建立一個激光掃描儀的局部極坐標(biāo)系統(tǒng)（ρ，θ），極軸為圓柱體軸線方向，極角θ為掃描儀掃描方向與極軸之間的夾角。

2） 激光掃描儀直角坐標(biāo)系統(tǒng)

激光掃描儀直角坐標(biāo)系統(tǒng)（XL，YL，ZL）的原點(diǎn)OL與激光掃描儀極坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)重合，ZL與極軸平行，方向向上，YL方向?yàn)檐囆蟹较?，XL-OL-ZL平面與極平面重合，3軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

3） 平臺坐標(biāo)系統(tǒng)

引入平臺坐標(biāo)系統(tǒng)的目的是將3個GPS天線位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平臺的姿態(tài)。如圖2，平臺坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)OG位于GPS1天線相位中心，XG軸為GPS2和GPS3相位中心連線的方向，且位于GPS1，GPS2和GPS3天線相位中心連線構(gòu)成的平面內(nèi)，YG軸也位于該平面內(nèi)，ZG軸垂直于此平面向上，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

4） 基準(zhǔn)參考系統(tǒng)（西安80坐標(biāo)系）

X軸沿O所在的經(jīng)緯度線指向東，軸沿O所在經(jīng)緯度指向北，z軸指向天頂，X，Y，Z指向天頂。

1.2 各坐標(biāo)系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換

1） 掃描儀極坐標(biāo)系統(tǒng)向掃描儀直角坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

掃描儀極坐標(biāo)系統(tǒng)的極點(diǎn)與掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)重合，極軸與ZL軸重合，但方向相反，極平面與XL-OL-ZK平面重合，兩坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為

式中ρ，θ為掃描點(diǎn)在掃描儀極坐標(biāo)系統(tǒng)下坐標(biāo)值；XL，YL，ZL為掃描點(diǎn)在掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)下坐標(biāo)值。

2） 掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)向平臺坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)OL-XLYLZL向平臺坐標(biāo)系統(tǒng)OG-XGYGZG轉(zhuǎn)換可用一般的2個空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式表達(dá)

XT，YT，ZT，φ，ω和k為兩坐標(biāo)系統(tǒng)間的6個轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換參數(shù)可通過外業(yè)測量加以標(biāo)定。

3） 平臺坐標(biāo)系統(tǒng)到西安80坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

平臺坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可通過3次坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)和平移轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系中。其中，3個旋轉(zhuǎn)角和平移向量可由3臺GPS在WGS-84中的定位坐標(biāo)得到，可以求出方向余弦陣RWG（方法與式（3）同），然后，采用參數(shù)化方法將WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)系，即

2 、多傳感器時間配準(zhǔn)

選購的奧地利RIEGL公司的LMS-Q140i-80型激光掃描儀，這是一種二維激光掃描儀，進(jìn)行“鉛垂面”掃描，掃描角度為±40°內(nèi)，最大掃描速度為40線，也就是說每隔25 ms會獲取一條掃描線的距離信息，輸出的每條掃描線的信息中包括時間信息。

本系統(tǒng)選用NovAtel DL-4-L1／L2型GPS接收機(jī)，原始數(shù)據(jù)輸出頻率和位置輸出頻率為20 Hz，也就是為隔50 ms獲取一次定位數(shù)據(jù)信息，具有時間打標(biāo)功能。為了使激光掃描儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)在時間上配準(zhǔn)起來，在啟動激光掃描儀的同時對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行時間打標(biāo)，在后期處理中就可以解算出GPS時間打標(biāo)信息用于兩傳感器的時間配準(zhǔn)。圖3是本文研究多傳感器時間配準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖。

所謂時間配準(zhǔn)，一方面通過硬件手段使得各傳感器數(shù)據(jù)在開始的時間上對齊，如上所述；另一方面，就是對各傳感器所采集的采樣頻率不同的目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)差、外推，將大粒度的觀測時間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)推算融合到小粒度的觀測時間點(diǎn)上。在這里，時間配準(zhǔn)的意義在將每個采樣時刻由3臺GPS獲取的平臺姿態(tài)信息和掃描儀獲取的空間信息融合起來。

在本研究中，GPS數(shù)據(jù)輸出頻率為△t1=50 ms，激光掃描儀數(shù)據(jù)輸出頻率為△t2=25ms，這樣，就需要對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行線性內(nèi)插，使得設(shè)該車載三維測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出間隔為△t=△t2，則對第n個時刻的激光掃描儀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)在山東科技大學(xué)北門進(jìn)行，載體速度適當(dāng)，路面比較平坦。首先，利用全站儀精確量測標(biāo)志點(diǎn)（AA6和AA7）的坐標(biāo)，結(jié)果見表1。然后，再利用該車載三維測量系統(tǒng)對相同的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行了測量，得到相應(yīng)的測量結(jié)果和與標(biāo)準(zhǔn)值（全站儀獲取坐標(biāo)）之間的誤差值，見表2。建筑物立面上特征點(diǎn)如圖4所示。

4、 結(jié)論

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）可以看出：AA6點(diǎn)X，Y和Z方向的誤差絕對值分別為0.056，0.030，0.039 m，AA7點(diǎn)X，Y和Z方向的誤差絕對值比較大，分別為0.082，0.088，0.067m，但精度也在厘米級別，表明該車載三維測量系統(tǒng)定位精度比較高，證實(shí)了該系統(tǒng)多傳感器的空間配準(zhǔn)和時間配準(zhǔn)方案是切實(shí)可行的，滿足了該系統(tǒng)精度的要求。

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