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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間精度以及完整的空間坐標(biāo)描述形式，而過(guò)去只依賴(lài)于某種特定傳感器的三維信息相對(duì)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(shì)是由利用單個(gè)特定傳感器獲取單一數(shù)據(jù)信息，向利用多個(gè)傳感器獲取多方面數(shù)據(jù)信息發(fā)展，將多種類(lèi)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(duì)多種傳感器進(jìn)行信息獲取和信息融合的問(wèn)題。

多傳感器數(shù)據(jù)融合處理的前提條件是從每個(gè)傳感器獲得的信息必須是在同一個(gè)空間的同一時(shí)刻的描述。這就包括2個(gè)方面：首先，要保證每個(gè)傳感器得到的信息是在同一坐標(biāo)系下的描述，稱(chēng)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(shí)間上對(duì)齊，稱(chēng)之為時(shí)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(chē)載式三維采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境下，時(shí)間對(duì)準(zhǔn)問(wèn)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(shí)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(tái)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(shí)完成載體（車(chē)）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(shí)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(duì)于車(chē)載近景三維測(cè)量系統(tǒng)，每個(gè)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(duì)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(duì)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(gè)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(lái)看，不同的傳感器的測(cè)量值組成一個(gè)測(cè)量子空間，而信息融合則是各測(cè)量子空間按照一定的法則向融合信息空間投影，這里的測(cè)量子空間就是在各個(gè)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(tái)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(gè)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(xiàn)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?chē)行方向，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(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)

引入平臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)的目的是將3個(gè)GPS天線(xiàn)位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平臺(tái)的姿態(tài)。如圖2，平臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)OG位于GPS1天線(xiàn)相位中心，XG軸為GPS2和GPS3相位中心連線(xiàn)的方向，且位于GPS1，GPS2和GPS3天線(xiàn)相位中心連線(xiàn)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(xiàn)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(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)OL-XLYLZL向平臺(tái)坐標(biāo)系統(tǒng)OG-XGYGZG轉(zhuǎn)換可用一般的2個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換參數(shù)可通過(guò)外業(yè)測(cè)量加以標(biāo)定。

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

平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可通過(guò)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(gè)旋轉(zhuǎn)角和平移向量可由3臺(tái)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(shí)間配準(zhǔn)

選購(gòu)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(xiàn)，也就是說(shuō)每隔25 ms會(huì)獲取一條掃描線(xiàn)的距離信息，輸出的每條掃描線(xiàn)的信息中包括時(shí)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(shí)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(shí)間上配準(zhǔn)起來(lái)，在啟動(dòng)激光掃描儀的同時(shí)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間打標(biāo)，在后期處理中就可以解算出GPS時(shí)間打標(biāo)信息用于兩傳感器的時(shí)間配準(zhǔn)。圖3是本文研究多傳感器時(shí)間配準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)圖。

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

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(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，使得設(shè)該車(chē)載三維測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出間隔為△t=△t2，則對(duì)第n個(gè)時(shí)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(mén)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(cè)標(biāo)志點(diǎn)（AA6和AA7）的坐標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。然后，再利用該車(chē)載三維測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相同的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，得到相應(yīng)的測(cè)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(jiàn)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(duì)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(duì)值比較大，分別為0.082，0.088，0.067m，但精度也在厘米級(jí)別，表明該車(chē)載三維測(cè)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(shí)間配準(zhǔn)方案是切實(shí)可行的，滿(mǎn)足了該系統(tǒng)精度的要求。

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