第31卷第5期
2006年9月
测绘科学
Sc i ence o f Survey ing and M apping
V o l .31N o .5
Sep
作者简介：陈允芳(1977-)，女，山东
新泰人，山东科技大学讲师，在读博士研究生。E -ma il :cy f xqk @163 收稿日期:2005-10-25
I M U /D GPS 辅助车载CCD 及激光扫描仪
陈允芳①
，叶泽田②
，谢彩香①
，石波①
，王贵宾
③
(①山东科技大学地球信息科学与工程学院，山东青岛 266510;
②中国测绘科学研究院，北京 100039;③首都师范大学，北京 100037)
【摘 要】三维信息快速采集是真实场景建模与三维虚拟现实技术的关键。本文提出了一种基于激光扫描仪、线/面阵CCD 相机及GPS 与I MU 等多种传感器融合的车载移动式数据快速采集系统。各传感器安置在车内稳定平台上并随车保持一致的运动姿态。通过对GPS 和I M U 数据进行卡尔曼(K a l m a n )滤波，可推测出整个系统及各传感器的位置和最佳姿态估计；从扫描仪点云数据可提取出街道场景中事物的三维几何信息；线阵CCD 相机用于获取路面带状地物等线性特征；面阵CCD 采集街道两侧面状纹理信息，从而快速获得城市目标的地理坐标和三维建模信息，由此可重建城市路面街道的三维真实场景。【关键词】CCD ;I M U (Ine rtia lM easure m ent Un it )；点云；卡尔曼滤波；三维建模【中图分类号】P23 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2006)05-0091-03
1 引言
三维信息数字化、可视化与三维真实场景建模，是数字地球的核心技术。三维信息采集与建模技术广泛应用于数字城市、虚拟现实、地形测绘、数字考古、数字博物馆、数字文物、游戏开发、动画及电影制作等诸多领域。城市三维信息快速采集是数字城市的重要内容，可为城市数字化、可视化提供高精度的三维地理信息。快速、便捷、可靠地获取户外运动环境中物体的高分辨率、高精度三维信息已成为当前信息采集方法研究的热点，而将所获得的多传感器数据进行融合配准、三维特征提取、纹理重建是三维建模理论的主要内容。
基于运动载体(车、船、飞机等)的多传感器数据采集系统是当前三维数据快速获取的一种重要手段。借助于搭载在运动载体上的CCD 相机和激光扫描仪同时进行影像数据采集和扫描数据获取已成为可能。但为了获取载体的实时位置、速度及姿态等信息，还需要辅之以导航定位系统，常用的有G PS
卫星导航和惯性导航系统(I NS )。I NS 不需任何外来信息，也不向外辐射任何信息，可在任何介质、任何环境下实现，系统频带宽，可跟踪任何机动运动，能输出位置、速度、方位和姿态等多种导航参数，输出数据平稳，短期稳定性好，但导航精度随时间发散，即长期稳定性差。而G PS 导航精度高，不随时间发散，即长期稳定性好，但频带窄，高机动运动时，接收机码环和载波环极易失锁而丢失信号，完全丧失导航能力，且受制他人，易受人为干扰和电子欺骗。惯性导航和G PS 在性能上正好互补，组合使用可取长补短，充分发挥其各自的长处，因此，是目前公认的最佳方案，这里不再赘述。
包覆胶水随着CCD 及激光扫描技术发展及其成本的降低，借助于CCD 影像及激光扫描进行数据采集创建真实场景已越来越受到关注，已有许多这方面的大胆尝试。S .F .El -H aki m
等人将激光扫描仪和CCD 相机固定在一辆车上，组成了
DCR 系统(数据采集和配准系统)，由此实现了室内场景的
三维重建[1]
；日本东京大学的R .Shiba sak i 和H ..Zhao 将两台2D 激光扫描仪互相垂直的固定在汽车上，当汽车沿着道路前进时，扫描仪能同时将道路两侧建筑物表面的点云数据记录下来，以快速恢复出城市街区
的场景模型(1999)[2]。他们还将扫描仪、CCD 相机、G PS 及I MU 装载在无人驾驶直升飞机上用于创建数字表面模型(2003)[3]。另外,H .K u m ag ai 和T .K i ndo (2000),H .Kumaga i 和Y .K ubo (2002)也曾将激光扫描仪、带有I M U 的数字相机及GPS 组合起来用于创建数字表面模型。为加快我国城市信息化建设的步伐和“科技奥运”的进程，结合北京市在2008年奥运会之前“数字北京”的实际需要，课题组设计了一种主要针对城市主干道路及其两侧的街景等三维场景进行自动快速采集的车载移动式三维数据采集系统。本文重点探讨利用所采集的多传感器数据进行融合和建模过程。
2 系统设计与组成
该系统主要由车辆、传感器稳定平台、车载计算机系统、传感器及其控制系统、电源系统组成。平台的主要特是采用三维稳定，以对车辆运动的突变性姿态变化进行吸收和平滑，从而提高数据采集的有效性。所有传感器都被固定在车内升降平台上并建立严格的几何关系。激光扫描仪和各CCD 相机都要经过严格的检校，以确定它们与G PS 及I MU 的相对位置和姿态。所有传感器与平台的运动或姿态都是同步的。车辆尽可能以一定速度匀速行驶,
GPS 及I M U 同时观测并记录位置和姿态数据,CCD 相机和扫描仪也同时拍照和开始扫描。所有传感器都受控于车载计算机系统，并通过同步控制系统触发脉冲来实现数据同步采集。
本系统所用到的传感器见表1，系统设计及各传感器同步控制如图1所示。
图1 系统设计
表1 系统传感器
传感器类型技术指标
激光扫描仪S I CK L M S291角度分辨率:0.25°；距离分辨率: 10mm/t yp.±35mm；最大距离: 80m；最大观测角:180°
面阵CCD相机NED-7500D 2048×3072;35mm广角镜头; 50mm标准镜头
线阵CCD相机NUCL-7500D 像素分辨率:7500×3；线扫描频率:5KH z
GPS NovA t elDL-4后处理差分定位精度:5mm+ 1pp m CEP速度差分精度:0.03m/ s(标称)
I M U YH-7000角速率:±100,±200,±300°/ s；加速度:±2,±5,±10g姿态精度：静态:<0.1°,1s(VG)；动态:<1.0°,1s(VG)
3 各传感器空间、时间配准
所有传感器都固定在车内自动升降稳定平台上以建立精确的物理几何关系。由于各传感器在平台上安
粉底原料
置的位置不同，数据采集参照的坐标系不完全相同，故传感器必须要进行检校，这是为了把所有传感器和定位装置都转换到统一的坐标系下，获得每一个传感器相对于G PS和I M U的位置和姿态。如GPS天线中心和I M U中心不在同一点上时,I M U的位置和速度不能等同于GPS的位置和速度，此即杆臂效应，需用相应公式进行纠正，此处不再详述。
由于各传感器数据采集频率不同，我们以数据采集时的同步信号为基准，以时间为标志对数据进行内插处理和数据匹配，结合传感器检定信息分别求得每一扫描及拍照时刻传感器的运动位置与姿态参数。如本研究中扫描仪的时间记录间隔是0.053s，面阵CCD相机曝光时间间隔最小为0.008s，而G PS历元间隔最小为0.05s。对GPS数据处理，先利用基准站与主天线之间的观测数据进行单历元后处理差分解算主天线中心坐标、相机和扫描仪中心坐标，根据记录时间自动内插6个外方位元素，最后对以上数据进行空间、时间整合以解算目标点坐标。内插时，对于直线运行轨迹，采用线性内插，对于折线运行轨迹，采用多项式或分段B样条内插。
4 数据采集与建模
基于地面车载激光扫描仪和CCD相机的移动式数据采集是当前较为先进的数据获取手段。借助于车载运动平台上多种传感器所提供的各类信息，该系统可实现高精度动态定位和三维数据的高效自动获取，而无需地面控制点的辅助。使用计算机时钟与GPS作为时间基准，用G PS实时测定点的三维地理
坐标,I M U来确定姿态最终可确定整个系统的方位；通过对激光扫描仪的点云数据进行点、线、面特征提取可确定物体的三维几何形状；线阵CCD用以提取道路轴线、路面标志、路牌等信息，而面阵CCD采集道路两旁行人、树木及各建(构)筑物等街景的纹理数据；这样,G PS/I MU 组合导航可提供车辆行驶的准确路线，从扫描仪中点云数据所得的物体的几何框架，辅之以CCD相机所提取的线性特征及纹理信息，最终可实现三维真实场景建模。
4.1 GPS/I MU组合定位
本研究采用G PS与惯性系统软件组合中的反馈校正分布式组合方案(如图2所示)。系统采用GPS滤波器(局部滤波器)和GPS/I N S滤波器(主滤波器)两个滤波器。所用的惯性系统是低成本惯性测量装置I M U，它包括三个FOG s陀螺(测量角速率)和三个M i E M S加速度计(测量比力)。组合定位系统由I MU和GPS组成，将I MU的陀螺和加速度计的输出及G PS测量数据送至车载计算机，进行以下处理[6]:①惯性导航系统的力学编排：利用由陀螺仪所测得的载体相对于惯性坐标系统的旋转角速度，计算出载体坐标系至计算坐标系间的坐标变换矩阵、载体的姿态矩阵，将加速度计所测量得的比力变换至导航坐标系，并两次积分得到姿态、速度和位置等导航信息;②G PS滤波：运用卡尔曼滤波处理带有噪声的G PS位置、速度、时间等观测值，计算出平滑的导航定位解;③GPS/I N S滤波：与GPS传感器的输出信息综合，利用卡尔曼滤波器，估计出I NS的位置误差、速度误差、姿态角误差、陀螺漂移等参数，将卡尔曼滤波器估计输出值反馈到I N S中，并修正I N S系统对应参数，由此得到导航所需的参数。
本研究采用由G PS时间作为时间基准，对GPS和I M U 数据进行卡尔曼滤波，最终推测出各传感器的最佳位置和姿态估计，从而确定整个系统精确的运动路线及姿态变化。
利用上述修正后的GPS/I N S导航参数来配准扫描仪数据和影像数据，以确保将二者进行融合叠加时尽可能匹配完好
。
图2 I NS与G PS反馈校正分布式组合方案
4.2 数据融合与建模
连续供墨系统
扫描仪数据，又称点云数据，是由全离散的矢量距离点所构成的二维有序点阵，每一像素包含的是距离和角度信息，称为距离图像或深度图像。它本身不能真实准确地表达实际地物和场景的表面，但可通过将点云构建成三角网格对数据进行网格化来模拟真实物体表面，网格化后的模型可以很好地逼近实物或真实场景的表面，从而可得到三维场景的数字表面模型(DS M)。
首先，需要提取事物的几何特征，由距离图像挖掘出物体的三维几何框架，分为点、线、面三类特征的提取。对于特征点，如边界点、转角点、拐点等，可结合线、面等几何特征通过特征点探测法来获取。从离散点中提取特征线(直线、曲线)的方法较多，常用的有Hough变换、线性回归、分段线性拟合等。对特征面(通常为水平面、立面等)的提取，通常会结合点线特征提取来进行。如对于建筑物立面特征提取，可借助于Z图像来完成。将激光扫描点投影到网格化了的水平面上，每一单元方格像元的像素值为投影到该方格内的激光扫描点的个数，所得到的二维平面图像即为Z图像[4]。由此可知，平滑立面上的点投影到Z图像上后都变为直线、折线或曲线等线性集合，不同立面上的点会落入不同的线上，形成不同的线性集合。对于建筑物立面的提取，可借助于Z图像上的这些线性特征来完成:
①利用H ough变换从Z图像上提取相对较为明显的线性特征(直线、折线或曲线等);②对所有数据进行滤波，过滤掉不在这些线上的激光扫描点;③对在这些线上的点进行最小二乘内插，内插出一个水平面;④将拐点、转角点等投影到该水平面上，以到多边形的边界，从而确定立面的位置。
而对于水平面的提取，可通过以下步骤实现:
①利用Z图像上相应点的Z坐标建立柱状图;②出柱状图中的峰值点，按一定的阈值，过滤掉离峰值点相对较远的激光扫描点;③利用最小二乘法，对剩余的激光扫描点进行插值即可得到一个水平面。
其他有关点、线特征的提取方法，这里不再详述。
通常，自然地物像树、杂草等具有散乱的深度点，而人工地物具备一定的几何形状，其数据多为排列规则的水平成行和竖直成列的点云。然而，对于一些具有复杂形状的人工地物，如自行车或复杂装饰物等，其细部特(下转第77页)
92测绘科学 第31卷
果(图6)，实验表明，本文对建筑物LOD 模型各个细节层次的分析和表达是合理可行的，对于三维城市建筑物模型的大规模生产具有一定的理论指导价值
。不锈钢镀锌
图6 建筑物LO D 模型在3DC M 中的应用效果植物提取
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(上接第92页)征也会是散乱的点云。这时，就需要借助于影像数据来补充点云数据细节的识别，即需要进行纹理映射，利用彩变化和图像边界进行影像数据分割，然后整合深度数据和图像数据以进行细节提取。即通过点云数据可得到真实场景的规则几何形态信息，而影像数据的颜和纹理特征是对真实场景细节特征的补充和完善，这样再使得所建模型更加生动逼真。
影像数据与扫描仪数据融合与建模过程如图3所示
。
图3 影像数据与扫描仪数据融合与建模过程
5 结束语
1)构建了一种新颖的基于G PS /I M U 、激光扫描仪、线阵CCD 、面阵CCD 等多传感器融合的车载移动式三维数据快速采集系统。
2)采用GPS /I MU 组合导航，通过卡尔曼滤波进行数据处理，确定车载运动平台的位置、速度和姿态等导航参数，最终推测出各载体的精确运动路线。
3)将扫描仪数据与影像数据相结合进行特征提取和三维建模，比单独使用影像数据中进行特征提取要有效得多。
4)本系统在多种传感器集成、车内实时控制器硬件设计、软件开发与制作等方面的研究，满足了“数字北京”的实际需要，为加快我国城市信息化建设的步伐和“科技奥运”的进程起到了很好的推动作用。
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77
第5期 周艳等 三维城市模型中建筑物LOD 模型研究
this m ethod in the fi e ld o f wa t e r qua lit y eva l ua ti on is discussed t oo.
K ey word s:w a t e r quality assess m ent;i nfo r ma tion sy stem;g eo-g raphica l infor m a tion sy st em;W ebG IS;G IS
C H I W en-xue①,W U X i n-cai②(①China U niversity o f G eosc i-ence s,Be iji ng100083;②China U ni ve rsit y of G eo sciences,W uhan 430074)
3D data collection and mod eli ng by veh i c le-b orn e CCD and l aser scanner ai d ed by I M U and G PS
Ab strac t:F ast co llec tion o f three-di m ension i n f o r m ati on is the key technique in t h ree-d i m ension real scene m ode ling and V irt ual R ealit y.A m oving m ob ile data fast co ll ec tion sy st em based on CCD ca m era,laser scanne r,GPS and I M U is propo sed i n this paper.A ll sensors are ti gh tl y fi xed to a stable platfo r m in the m ob ile and are synchron ized w it h m ove-m en t o r attitude of the p l a tfor m.Through K a l m an filter,an opti m a l esti-m ate of po sition and attit ude of t he w ho le s y st em composed by all senso rs can be eva l uated fro m GPS and I M U.O bjects't hr
ee-di m ension geo m e t-rical i nfo r ma tion is ex tracted from po i nt c l oud da ta fro m l a ser scanne r. L inear or strip shape in road surface a re acquired t h rough li near CCD cam era,whil e p l anar t ex t u re infor m a ti on in bo t h si de o f the street are ob-tained from2D CCD came ra.A cco rding l y,geog raph ic coo rdina t e s and three-di mensi ona l modeli ng i nfo r m a tion o f ob j e ct i n cit y are fast gath-e red.A s a result,three-di m ensi on actua l cit y road s u rf ace and stree t scene a re reconstruc t ed.
K ey word s:CCD;I M U(Iner tialM easurement U nit);po i n t c l oud; K a l m an filter;3D m ode l reconstruc tion
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T echnologies of rap i d cop i ng w ith l arge a m ount of3D l aser scan-n i n g data
Ab strac t:During the reconstruction of model w it h3-D l a ser scan-ner,a large a m ount o f data a re produced,w hich re s u lt in t he slow and non-fl uent da ta accessi ng,processing and3-D display.I
n o rde r t o cope w it h above prob l em s,comb i ning w it h the curren t l eve l of com puter s o ft-w are and ha rd w are techno logy,t he pape r propo ses a so l u tion based on severa l techno l og ies,s uch as memo ry mapp i ng,virt ua lmemo ry,m ulti-thread,da tabase and O pen G L.A n app licati on ha s been prog ra mm ed on W i ndow s XP pla tf o r m by V c++6.0.It is t e sted w it h the data acqu ired by scanning insi de of an o l d archit ec t ure.P rac tices prove t ha t t he solu-tion the pape r brough t for w a rd does w ell.
K ey word s:point clouds;mem ory mapp i ng file;virt ua lm emo ry; mu lti-t h read;da t abase;O pen G L
ZHANG Rui-j u①,W ANG Y an-m i n②,L I D e-ren①(①Sta t e K ey Labo ra tory for In f o r m ation Eng i neering in Survey ing,M appi ng and Re-m ote Sensi ng,W uhan U niversity,W uhan430079,China;②D ept.o f Surveying andM apping,Beijing Institute o f C i v ilEng inee ri ng and A rch i-tecture,Be iji ng100044,China)
G PS m u lti pa th m itigat i on and analysis-a case study
Ab stract:T he pape r d iscussed a m ethod fo r G PS pseudorange m u ltipa t h m itiga tion and its spe ctru m analy sis.The G PS m u ltipa th m ea surem en t and t he procedu re o f ob tain i ng tria l
ob serva tion da ta se ts w e re discussed firstl y.Then,cy c l e s lips w e re de tected,restored, and a pseudorang e m u lti pa th ca lcu lation fo r m ula w a s appli ed to the fi e ld data se t.The resu lts sho w n t ha t the m e thod o f e li m ina ting peud-o range m u ltipa t h is v ery e ffec tive in t h is ca se st udy.
K ey word s:G PS m ultipa t h;cy cle sli p de tecti ng;pseudorange mu lti path
GUO H ang①,YU M in②,XUE G uang-hu i③(①N anchang U nive r-sit y,N anchang330029;②Jiangx i N o r m al U ni ve rsit y,N anchang 330027;③W uhan Un i ve rsit y,W uhan430072)
De sign and i m p le m en tat i on of car tograph i c s y m bols based on SVG
Ab stract:Curren tl y,m ost G IS can overcom e t he p ri va te data for-m a ts,and transf o r m and share geog raph i c da t a effective l y.Bu t t hey a re sho rt of the f o r m alizati on desc ri pti on on ca rt og raphic symbo l s,and canno t share the ca rt og raphic s ymbo ls li b rary.In t h is paper,integrati ng the de-si gn m e t hods of ca rt og raphic s ym bo ls and the characters of SVG,a ne w design technique abou t ca rt og raph i c s ym bo ls ba se based on S VG is pre s-en t ed.By experi ment,t he design m e t hod and basi c pri nc i p l e of po i n t, cu rve and area a s w e ll as anno tati on sy m bo ls are ana l yzed,which pro-vide s a f oundation for ca rt og raphic symbols s ha
ring and G IS distri bu ted processing and i n t e rope ra ting.
K ey w ord s:SVG;ca rt og raphic s ymbo ls libra ry;sha re
Y I N Zhang-ca i①,LI Lin②,W ANG Cheng②,S HEN Y i②(①Schoo l o f Resource and Environ m en t Science,W uhan U niversity o f T echno l ogy,W uhan430070,Chi na;②Schoo l o f Re sou rce and Env i-ron m ent S cience,W uhan U niversity,W uhan430079,Ch i na)
A new m eth o d of en tire station m eter d istance m easur i ng exa m i na-t i on
Ab stract:D istance m easuring is one o f en tire st a tion me ter's i mpor-tant t echn i ca l spe cifica tions.To star t fro m distance m easuring for mu la o f phase d ist ance m eter,t he pri nciple and m ethod are discussed i n this pa-per.This m e t hod can carry on t he distance m easuri ng exa m inati on in t he sho rt ba se or t he s hor t distance.A t the same ti m e,it has prov ided t he possibilit y for t he m edi u m and l ong distance entire stati on m e t e r distance m easuring exam ina tion.By chang ing t he e ffec tive surface a rea o f re flec-to r,the experi m ent can be done w it h t his m ethod.The operation is con-venient and the re s u lt is re liab l e.It is po ssi b l e to fi gure ou t the distance m easuring o f any pris m co m bi na tion by this me t hod.It w ill be m o re rea-sonable t o use the pris m,so as t o reduce t he infl uence of t he i nstru m ent erro r and to i mprove the d istance m eas u ri
ng prec ision.
K ey w ord:distance m eas u ri ng;sho rt base;distance measuring e-qua tion;distance m easuring exam ina tion
L I U X ue-bin①,ZHAO Ji-x ian②(①Co mmunications desi gn instit u-te o f Jiangxi prov i nce,N anchang Ji angx i330002;②EastCh i na institute of techno l ogy,Fuzhou Jiangx i344000)
Th e ar ithme tic and data structure of embedded G IS li n e feature's sea m l e ss connect i on
Ab stract:T he data map is st o red acco rding to shee t or b l ock in an e m bedded syste m,t hus causi ng sea m in t he cu tti ng-border for a physical integrated line fea t ure.F ast response and seam less display m ake it nec-essa ry to st udy cutting li ne feature sea m l e ss connec tion.Ba sed on point coo rdinate da ta and m ap-b l ock border-ve rt ex associa t e tab l e,this ar ticle efficientl y describes sea m l e ss connection pro ce ss of cutti ng-line f ea t u re on E m bedded st udio.This arit h m e tic po ssesses less memo ry and runs quick l y.
K ey word s:e m bedded G IS;sea m l essG IS;m ap-block bo rde r-ver-tex associa t e tab l e;doub l e bu ffer
HU Ze-m i ng,YUE Chun-sheng,W ANG Zhi-gang(Infor m ati on Eng ineer U nive rsit y,Z heng zhou in H enan P rov i nce,450002)
Re search on i n ter secti ng on th e soli d part in the das h ed line of b ourn sy mb ol
Ab stract:Based on t he principle of t he t emp l a te me t hod,t he au-tho rs prov i de a new algorit h m to rea lize the i nte rsec ting of so li d parts i n t he dashed line,w hich is needed duri ng t he d raw i ng o f bourn symbols. In t he auto m a t ed-m apping syste m deve l oped by V C++,they process t he bourn da t a(E00fo r ma t)o f t he1:250,000geog raphy database, and i mp l ement t he a l go rith m.
K ey w ord s:das hed li ne;i nte rsec tion o f so li d pa rt;bourn sy m bo l ZHANG X iao-tong,ZHU H ai-hong,L I L in(Schoo l O f R esou rce and Env iron m ental Science,W uhan U niversity,W uhan430079)
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A BSTRACTS O F THE PRESENT ISSUE
