车载激光扫描系统介绍

        车载地面激光扫描仪的主题是一个令人兴奋的探索主题。它只是更广泛的主题领域的一部分，即从动态车辆平台进行测绘作业。到目前为止，这个更广泛的主题领域主要关注从这些平台获得的图像，使用多个视频和数码相机，并结合同时获取的数据通过集成的GPS/IMU单元赋予绝对位置信息。然后，在高度自动化的基础上对图像进行摄影测量评估，以处理在这些操作期间收集的大量小格式图像。最初，这项活动是俄亥俄州立大学测绘中心在1980年代后期使用其 GPSVan 进行的一项开创性研究工作（Bossler 和 Toth，1996 年;托特和格雷纳-布热津斯卡，2003 年，2004 年）。不久之后，卡尔加里大学使用其类似的VISAT面包车进行了一个独立但平行的项目。其他类似的项目由各欧洲大学和机构承担，如洛桑联邦理工学院、洛桑（Photobus）和巴塞罗那加泰罗尼亚卡托格拉法研究所（ICC）（GeoVan）。这些不同的研究工作导致建立了许多商业公司，使用纯粹基于相机的技术从车辆上进行地图绘制，特别是在北美，与Lambda Tech，Transmap，Facet，DDTI，Mandli（美国）和Geo3D（加拿大）等公司合作。这些主要涉及为道路清查目的收集地理空间数据。

        激光扫描仪在车辆平台上的开发和使用，无论是代替相机还是与相机结合使用，都进行得稍晚一些。早期的研究工作是东京大学空间信息科学研究中心的车载激光测绘系统（VLMS）。巴塞罗那ICC基于相机的GeoVan被改造成研究所的Geomobil项目。这两个项目都配备了多个相机和激光扫描仪，用于数据收集目的。直到最近，在过去的2年或3年中，这些主要以研究为导向的项目才导致引入了使用商业基础上运行的激光扫描仪的基于车辆的系统。现在，基于车辆的系统可供购买，可供服务提供商常规使用。毫无疑问，这仅仅是应该成为普遍可用的服务的开始 - 至少在更先进的工业化国家是这样。

        还应提及激光扫描仪在车辆上的非地形用途，特别是它们在导航和防撞系统中的使用。如果这些被大规模生产和广泛使用，那么毫无疑问这将产生强大的影响，特别是在可以安装在车辆上的激光扫描仪的成本方面。还应该进一步提及DARPA大挑战赛（DGC）和DARPA城市挑战赛（DUC）的影响，这些比赛加速了这些用于无人驾驶车辆的导航和防撞技术的发展。2004 年举行的第一届 DGC 和 2007 年举行的 DUC 会议分别使用的想象传感器配置存在显著差异。2004年，数码相机是观察车辆周围物体空间的主要传感器，立体技术广泛用于物体空间重建。激光轮廓仪（主要是 SICK 型号）仅用于增强图像传感能力。2005 年 DGC 扭转了这一情况，当时获胜者是斯坦福大学的斯坦利车辆，使用五台安装在车顶的 SICK 激光扫描仪绘制车辆前部区域，并且仅使用高速摄像头来观察距离超过 40 m 的物体。 认识到激光扫描的潜力，制造商为2007 DUC开发了专用激光扫描仪。Ibeo 系统在四个平面上提供了激光仿形功能，从而取代了四个 SICK 单元。然后，更重要的是，Velodyne激光扫描仪的推出代表了2007年的一项重大技术突破，该扫描仪被获胜者Boss，卡内基梅隆大学的全自动雪佛兰Tahoe汽车以及前十名参与者中的大多数使用。Velodyne HDL-64E 高清激光雷达基于 64 个激光单元，覆盖 26.8° 垂直扩散，因此无需任何垂直机械 运动。该系统的激光传感器围绕装置垂直轴的水平旋转速率很高，最高可达 15 Hz，角分辨率为 0.09°。1 类激光器的工作波长为 905 nm，脉冲宽度为 10 ns。据称，50 米和 120 米的测距精度小于 5 厘米，反射率分别为 10% 和 80%。每秒超过100万点的数据收集率简直令人惊叹。总之，这些无人驾驶车辆广泛使用了激光扫描仪和集成GPS/IMU系统，它们是正在为地形应用开发的车辆系统的组成部分（Ozguner等人，2007年）。 本介绍之后的叙述将讨论：（1）市售系统;（2）定制系统;（3）一些代表性的研究系统，它们利用车载激光扫描仪进行地形应用——与第2章中介绍的机载激光扫描系统的方式大致相同，它们与机载激光扫描系统有许多共同点。

Optech公司开发了其ILRIS-3D激光扫描仪的特殊MC版本，用于动态或移动平台。例如，意大利的Sineco公司已经使用该系统对露天矿进行勘测，并从移动的货车上进行道路勘测。除了生成距离、强度、角度和时间数据的 ILRIS-3D 激光扫描仪单元外，整个系统还包括一个 Applanix POS/LV 420 GPS/IMU 子系统，可提供随时间变化的位置和方向数据。Sineco使用Polyworks软件包对所有捕获的数据进行后续处理。 到2007年底，Optech还发布了一款全新的产品，称为LYNX移动扫描仪。这是一种专用的旋转激光轮廓系统，专门设计用于连接到标准车顶行李架上，带有两个激光扫描仪和两个（可选）校准框架摄像头以及系统IMU和GPS天线的支架。第三个维度来自车辆运动。尽管LYNX系统中使用的扫描仪也使用Class 1级别的激光器作为其激光测距仪的基础，但它们与ILRIS-MC中使用的单元非常不同，最大射程为100 m;全360°角度覆盖;脉冲测量速率为 100 kHz;扫描速率为 9000 rpm （150 Hz）。带有嵌入式导航解决方案的系统控制单元基于 Applanix POS/LV 420 子系统，可以使用连接到该单元的笔记本电脑同时控制多达四个激光扫描仪。Applanix POSPAC软件用于处理POS / LV数据，而Optech提供自己的LYNX-Survey和LYNX-Process软件用于最终后处理。Optech宣布，LYNX系统已经提供给位于英国的Infoterra测绘公司和意大利Sineco公司，该公司已经运行了如上所述的ILRIS-MC系统

3D Laser Mapping公司总部位于英国诺丁汉，与生产LiteMapper机载激光扫描系统的德国系统供应商IGI密切合作，开发了专门用于移动车辆的便携式StreetMapper系统。对于StreetMapper，IGI提供其TERRAcontrol GPS / IMU系统，该系统源自其AEROcontrol单元，以及用于控制激光扫描仪和数据存储的硬件和软件解决方案。控制单元安装在安装在车辆内部的机柜中。IGI还提供其TERRAoffice软件（源自其AEROoffice软件包）用于处理IMU数据，而差分GPS数据则使用来自加拿大NovAtel的Waypoint部门的Graf-Nav软件包进行处理。芬兰Terrasolid的TerraScan/TerraModeler/TerraMatch程序套件用于处理激光扫描数据并将其转换为最终的3D模型数据。多个激光扫描仪由 Riegl 提供，其 LMS-Q120 装置中的 2 到 4 个（范围为 150 米）与 IMU 和 GPS 天线一起安装在车顶行李架上。可以提供视频或数码相机，以生成更高质量的图像，以补充激光扫描数据。安装在车辆仪表板上的触摸屏显示器用于显示捕获的数据。总部位于英国剑桥的服务公司Reality Mapping广泛使用StreetMapper系统，沿道路进行走廊调查，以进行公路资产管理，并采集英国市中心的街道数据。

Tele Atlas公司总部位于比利时根特，是用于车辆导航和基于位置的系统的数字路线图数据的领先供应商。它经营着车队，不断获取数据以修订其数字地图数据库。在这方面，数据库中15%至20%的道路信息需要每年修订。为此，Tele Atlas拥有一支由22辆露营车组成的车队在整个欧洲运营。每辆面包车都配备了六个数码相机，一个使用Fugro OmniSTAR 服务的 GPS 接收器;陀螺仪单元;以及安装在货车后轮上的测距装置，以便在GPS信号丢失时使用。生成的数据在位于波兰和印度的数据中心进行处理和分析。

在北美，使用由九辆小型货车组成的车队。每辆面包车都配备了一个车顶架，里面装有摄像头、GPS 天线等。然而，每个系统还具有双激光扫描仪，指向货车侧面，以便在货车向前行驶时连续收集街道范围数据。激光扫描仪由瑞士 SICK 公司提供，该公司是众所周知的短距离激光扫描仪供应商，用于车辆（如叉车）和工厂中操作的潜在危险设备（如起重机、切割机和折弯机）的导航和安全（警告）目的。然而，SICK 及其两家德国子公司和合作伙伴 LASE GmbH 和 Ibeo 也生产可进行长距离测量的激光扫描仪，其中一些型号用于在北美运营的 Tele Atlas 移动测绘车。如上所述，这些 SICK 和 Ibeo 激光系统也已广泛用于参加 DGC 和 DUC 竞赛的无人驾驶车辆。

另一个使用激光扫描仪的有趣的定制车辆测绘系统是加拿大Terrapoint公司设计的所谓的SideSwipe系统，用于阿富汗的道路测量和测绘。该系统是该公司的ALMIS-350机载激光扫描仪之一的修改版本，已经在第2章中讨论过。激光扫描仪刚性地安装在连接到敞篷皮卡车侧面的杆子上，该杆子还包含系统的两台计算机;一个用于路线导航，另一个用于系统控制和日志记录目的。该系统还包括一个与GPS/IMU系统集成的高分辨率摄像机。后者包括霍尼韦尔的HG1700战术级IMU，连接到NovAtel GPS接收器。操作程序包括首先沿着道路行驶，激光扫描仪指向前方并略微向下倾斜，从而提供具有 60° 角度覆盖的水平扫描或条带。在同一段道路上进行第二次扫描时，扫描仪旋转并重置，从车辆侧面垂直扫描，产生从5到100米延伸到车辆侧面的侧扫覆盖范围。在同一路段的第三道上使用了相同的设置，但指向另一侧。三通解决方案为高速公路和道路两侧走廊的测绘提供了数据。

基于这一成功的初始活动，Terrapoint开发了其战术基础设施和地形采集导航器系统，旨在克服SideSwipe系统所需的多次通过的限制及其战术级IMU的有限精度。它有一个设备吊舱，里面装有系统的激光扫描仪、IMU、GPS 接收器和数码相机，安装在连接到敞篷皮卡车地板上的液压升降机上。该系统包括四个 Riegl 激光扫描仪阵列;来自iMAR的高级IMU耦合到NovAtel GPS接收器;以及多达四个数字视频或帧式摄像机。这些各种仪器收集的数据通过电缆传递到安装在卡车驾驶室内的数据记录计算机。Terrapoint使用自己的软件包，称为CAPTIN（地面惯性导航的姿态和位置计算）对测量的GPS / IMU数据进行后处理。Terrapoint已与位于加拿大渥太华的Neptec设计集团建立了合作伙伴关系，根据该集团，Neptec将通过提供其分析软件算法来支持TITAN系统的进一步开发。Neptec还将授权TITAN技术生产专为军事和国土安全机构设计的车载激光扫描仪系统。

一些大学机构已经为研究目的建造和操作了几种基于车辆的激光扫描系统。其中两个将作为此类系统的范例进行更详细的介绍。

东京大学空间信息科学研究中心自1999年以来一直在柴崎教授的领导下，与亚洲空气测量株式会社合作，对车载激光测量系统（VLMS）进行研究。第一个原型系统由四个激光扫描仪组成，其中三个垂直扫描，第四个进行水平扫描。由此产生的激光扫描数据由四个CCD相机捕获的图像数据补充，每个相机产生小画幅（640×480像素）图像。 GPS接收器与IMU和轴驱动的精密里程表相结合，产生了所需的位置和方向数据。该系统已得到稳步改进，使用具有更高频率和更大角度范围的激光扫描仪。此外，数码相框相机已被推扫式线扫描仪所取代，这些扫描仪利用车辆的向前运动产生连续的线扫描想象。目前（2008年时期）的激光扫描仪是Ibeo生产的LD-A型号。它们的最大范围为100 m，扫描频率为20 Hz，平均误差范围为±3 cm。每个推扫式线扫描器都配备了一个鱼眼镜头，可提供180°的角视场，并以80 Hz的速率捕获其图像数据。激光扫描仪和推扫式线扫描仪都安装在GeoMaster车辆的车顶行李架上，其扫描平面以不同的角度定向，以减少树木和其他障碍物造成的遮挡。对东京银座地区的建筑外墙进行了测绘。

ICC是负责西班牙加泰罗尼亚官方地形测绘和制图活动的组织。自2000年以来，该研究所一直在开发自己的移动扫描系统。最初，这包括配备两个小画幅（一个Megapixel）数码帧相机的Geovan，用于产生单色图像以及基于Applanix的GPS / IMU位置和定向系统。2003年9月，该系统增加了激光扫描仪，之后被称为Geomobil系统。该系统的激光扫描仪是Reigl Z-210型号，可以以高达10 kHz的速率收集数据，垂直角度覆盖率为80°，水平覆盖率为±166.5°。正如在另一篇论文中报道的那样，该系统现在有一个IMU和两个GPS接收器，一个是用于位置确定的双频模型，另一个是单频模型，以帮助改善航向角（方位角）确定 - 构成POS子系统的一部分。Applanix POSPAC软件用于处理GPS数据。 Geomobil车辆还具有连接到货车后轮之一的距离测量指示器（DMI），以提供货车行驶距离的测量值。进一步的发展是安装新的数字彩色摄像机，从货车向前和向后指向。Geomobil系统正被用于对巴塞罗那市所有建筑物的底层立面（彩色）进行地理参考清单，覆盖3800条街道，线性距离为1291.5公里。