CN113608234A - 一种城市数据采集*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种城市数据采集***，包括：移动载体；多平台移动测量模块，设置在移动载体中，包括用于获取激光点云数据的三维激光扫描仪、用于获取影像数据的CCD摄像机、用于配合获取组合定位定姿数据的定位模块以及微电脑控制器；标定板，设置在移动载体中，用于对三维激光扫描仪的坐标系和CCD摄像机的坐标系的空间一致性进行约束，并通过标定算法计算得到三维激光扫描仪和CCD摄像机的标定参数，其中，定位模块包括用于获取定位数据的北斗导航单元和用于获取姿态数据的惯性测量单元，微电脑控制器中还具有立体显示模块进行立体显示，微电脑控制器中还具有车载移动测量模块优化来得到最优标定参数。
Description
技术领域
本发明属于数据采集领域，具体涉及一种城市数据采集***。
背景技术
目前，三维全景技术是通过专业相机捕捉整个场景的图像信息，使用软件进行图片拼合，并用专门的播放器进行播放，即将平面照及计算机图变为360度全观风景用于虚拟现实浏览。它把二维的平面图模拟成真实的三维空间，呈现给观赏者，并给观赏者提供各种操纵图像的功能，可以放大缩小，各个方向移动观看场景，以达到模拟和再现场景的真实环境的效果。其优势在于：真实感强；生成方便；制作周期短；文件小，传输方便，适合网络使用，发布格式多样等。但是目前的三维全景数据采集方法耗时长、成本高，特别是在城市复杂环境空间全景数据采集的情况下，更加的复杂。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种城市数据采集***。
本发明提供了一种城市数据采集***，具有这样的特征，包括：
移动载体；多平台移动测量模块，设置在移动载体中，包括用于获取激光点云数据的三维激光扫描仪、用于获取影像数据的CCD摄像机、用于配合获取组合定位定姿数据的定位模块以及微电脑控制器；标定板，设置在移动载体中，用于对三维激光扫描仪的坐标系和CCD摄像机的坐标系的空间一致性进行约束，并通过标定算法计算得到三维激光扫描仪和CCD摄像机的标定参数，其中，定位模块包括用于获取定位数据的北斗导航单元和用于获取姿态数据的惯性测量单元，微电脑控制器中还具有立体显示模块，用于根据激光点云数据和影像数据进行高精度三维数字建模来进行立体显示，微电脑控制器中还具有车载移动测量模块，用于将三维激光扫描仪对同一地物多次扫描的激光点云需重合作为约束条件，并使用LM最优化算法优化标定参数，通过使多次扫描同名点之间的误差最小对标定参数进行优化来得到最优标定参数，三维激光扫描仪和CCD摄像机根据最优标定参数进行标定后采集城市数据。
在本发明提供的城市数据采集***中，还可以具有这样的特征：其中，多平台移动测量模块还包括接收机、传感器主控电路板、视频分配及选通电路板和图像采集卡，传感器主控电路板和视频分配及选通电路板位于微电脑控制器内，接收机用于接收北斗导航单元的信号数据，图像采集卡用于接收CCD摄像机的影像数据，传感器主控电路板分别与接收机、三维激光扫描仪、视频分配及选通电路板进行数据交互，视频分配及选通电路板与图像采集卡相连。
在本发明提供的城市数据采集***中，还可以具有这样的特征：其中，三维激光扫描仪将原始的激光扫描数据融合三维激光扫描仪的外标定参数以及组合定位定姿数据后重建得到三维的激光点云数据。
在本发明提供的城市数据采集***中，还可以具有这样的特征：其中，微电脑控制器中还具有图像分割模块，图像分割模块用于将不同类型的目标进行像素级分类，通过CCD摄像机获取的影像数据，对多个重叠物体和不同背景的复杂情况进行3D建模，并且确定对象的边界、种类和彼此之间的关系。
在本发明提供的城市数据采集***中，还可以具有这样的特征：其中，微电脑控制器中还具有数据融合模块，数据融合模块用于根据激光点云数据和影像数据生成高分辨率的特征图。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种城市数据采集***，因为多平台移动测量模块中集成有北斗导航单元、三维激光扫描仪、CCD摄像机以及惯性测量单元这四套核心传感器，能够实现多源数据的高效融合，高效的对城市复杂环境空间的三维全景数据进行采集；因为本发明设有移动载体来搭载多平台移动测量模块，能够在城市中便捷的进行移动来进行数据采集，实现了数据采集装备的升级和技术手段的革新；因为本发明设有标定板来计算得到标定参数，并对标定参数优化得到最优标定参数，能够进一步保证标定的准确性，有效提高数据采集的精确度。并且，本发明实现了空间全景数据采集装备的国产化，填补国内短板，促进基于北斗的空间全景数据在新型智慧城市、数字孪生城市建设中的应用。
附图说明
图1是本发明的实施例中的城市数据采集***的结构框图；
图2是本发明的实施例中的三维激光扫描仪的扫描模式示意图；
图3是本发明的实施例中的多平台移动测量模块的架构示意图；
图4是本发明的实施例中的立体显示模块通过三维数字建模来进行立体显示的设计流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中的城市数据采集***的结构框图。
如图1所示，本实施例的一种城市数据采集***100，包括移动载体10、多平台移动测量模块20以及标定板30。
移动载体10，包括有人机、无人机、有人车、无人车、有人船、无人船、背包等载体，用于进行移动。
多平台移动测量模块20设置在移动载体10中，包括用于获取激光点云数据的三维激光扫描仪、用于获取影像数据的CCD摄像机、用于配合获取组合定位定姿数据的定位模块以及微电脑控制器。
定位模块包括用于获取定位数据的北斗导航单元和用于获取姿态数据的惯性测量单元。
本实施例中，北斗导航单元为高精度测量型型号，技术指标设计包括信号跟踪能力、定位精度、授时精度、测速精度、数据更新率、首次定位时间、信号重捕获时间。
三维激光扫描仪为发射频率高、小巧轻便型号，技术指标设计包括整体发射频率、单机重量、激光等级、最大扫描测程、扫描范围、测距精度、扫描频率。
图2是本发明的实施例中的三维激光扫描仪的扫描模式示意图。
如图2所示，三维激光扫描仪为线扫描模式，在移动载体的行进过程中进行断面扫描，如图2中的粗实线L表示三维激光扫描仪有效扫描边界，两条粗实线之间的区域表示有效扫描区域，细实线H代表激光束，折线P代表地物表面，包括道路面以及建筑物外轮廓，点M则代表激光扫描点，随着移动载体的前进，连续的断面构成地物的三维采样表达。图2中，黑色实线是地物的轮廓线，带箭头的直线表示行车轨迹以及方向，点表示激光点，距离激光扫描仪距离近的区域激光点密度比距离激光扫描仪距离远的区域密度大，实线表示一条扫描线。
本实施例中，多平台移动测量模块20中的各传感器的测量是在传感器自身坐标系下完成的，三维激光扫描仪装载至移动载体的原始扫描数据基于三维激光扫描仪自定义的扫描仪坐标系，扫描过程中，相对于三维激光扫描仪自身来说，扫描在一个平面内进行。因此，三维激光的三维重建，需要将原始数据扫描激光数据，转换到世界坐标系下的激光数据，三维激光扫描仪根据激光扫描仪定位方程，将原始的激光扫描数据融合三维激光扫描仪的外标定参数以及组合定位定姿数据后重建得到三维的激光点云数据。
图3是本发明的实施例中的多平台移动测量模块的架构示意图。
如图3所示，多平台移动测量模块20还包括接收机、传感器主控电路板、视频分配及选通电路板和图像采集卡，
传感器主控电路板和视频分配及选通电路板位于微电脑控制器内，
接收机用于接收北斗导航单元的信号数据，图像采集卡用于接收CCD摄像机的影像数据，
传感器主控电路板分别与接收机、三维激光扫描仪、视频分配及选通电路板进行数据交互，视频分配及选通电路板与图像采集卡相连。
多平台移动测量模块20通过将北斗导航单元、三维激光扫描仪、惯性测量单元、CCD摄像机、微电脑控制器等多种传感器进行有效集成，能够实现实时、主动、完整的三维空间全景数据获取。通过对北斗/IMU组合导航解算、时间同步处理、激光数据与其他传感器数据的融合、三维空间计算，得到高精度地物表面点云和高清影像。多平台移动测量模块20能够一机多用，加载至有人机、无人机、有人车、无人车、有人船、无人船、背包等移动载体上，实现机载、车载、船载、背包等多种作业模式，能够高精度、高效率地采集海量点云数据和高清影像数据。
微电脑控制器中还具有立体显示模块，用于根据激光点云数据和影像数据进行高精度三维数字建模来进行立体显示。
本实施例中，立体显示模块以FPGA为图像处理核心，利用FPGA内部丰富的资源和高速的计算能力，根据对城市中三维场景进行采集得到的激光点云数据和影像数据，实时进行匹配以及立体显示，并对场景中的显著目标进行测距。
图4是本发明的实施例中的立体显示模块通过三维数字建模来进行立体显示的设计流程图。
如图4所示，该立体显示模块主要包括PAL制视频图像采集和显示、局部立体匹配算法Census变换的实现、VGA显示、显著目标提取和测距化及立体显示。
微电脑控制器中还具有车载移动测量模块，用于将三维激光扫描仪对同一地物多次扫描的激光点云需重合作为约束条件，并使用LM最优化算法优化标定参数，通过使多次扫描同名点之间的误差最小对标定参数进行优化来得到最优标定参数，三维激光扫描仪和CCD摄像机根据最优标定参数进行标定后采集城市数据。
微电脑控制器中还具有图像分割模块，图像分割模块用于将不同类型的目标进行像素级分类，通过CCD摄像机获取的影像数据，对多个重叠物体和不同背景的复杂情况进行3D建模，并且确定对象的边界、种类和彼此之间的关系。
本实施例中，面向城市复杂环境空间全景数据采集，仅仅通过传感器对周围环境进行3D建模是不够的，需要智能理解周围环境并对检测出的物体进一步处理分析，例如得到其类别、数量和体积(边界)。本发明的图像分割模块通过实例分割技术，将不同类型的目标进行像素级分类，利用视觉传感器，对多个重叠物体和不同背景的复杂情况进行3D建模，并且确定对象的边界、种类和彼此之间的关系，具体如下：
实例分割既具备语义分割的特点，需要做到像素层面上的分类，也具备目标检测的一部分特点，即需要定位出不同实例，即使它们是同一种类。本发明借鉴图形显示技术Render的思想，利用一种非均匀采样的方式，来确定在分辨率提高的情况解决在尺度方式变化时的锯齿现象。通过确定边界上的点，并对这些点归属进行判别，针对物体边缘的图像分割进行优化，使其在难以分割的物体边缘部分有更好的表现；另外，在对多个重叠物体和不同背景的复杂情况进行3D建模，并且确定对象的边界、种类和彼此之间的关系时，通常先做目标检测，然后对每个目标进行二元图像分割，由于目标检测指标和分类得分没有很好的相关性，因此，该图像分割模块通过预测整体掩码分割得分，来校准掩码质量和目标框指标的偏差，提高实例分割性能。此外还引入Precise RoI Pooling来提高目标检测框的精度。
微电脑控制器中还具有数据融合模块，数据融合模块用于根据激光点云数据和影像数据生成高分辨率的特征图。
本实施例中，数据融合模块用于雷达点云和RGB图像生成高分辨率的特征图，对物体预计具有较高的检测性能。
具体如下：虽然雷达和相机是目前主流的目标检测传感器，但随着空间数据获取逐渐向多源(多平台、多传感器、多角度)和高分辨率(高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率)的方向发展，雷达点云+相机图像的优势逐渐显现，这两者的融合可以极大地提升精度：雷达可以直接获取目标的三维坐标，在建筑物和植被的垂直结构信息获取方面具有独特的优势，但是缺乏纹理和光谱信息，而这些信息对于目标识别有重要意义，且雷达点云的分辨率会随着检测距离的增加而降低；相机图像可获取丰富的纹理信息和光谱信息，但因对光线和阴影敏感，在3D空间中进行对象定位时无法提供准确且足够的位置信息，这通常会导致实时性能低下且鲁棒性较差。雷达和相机的结合能够较好地实现优势互补。
本发明的数据融合模块充分利用点云深度信息和图像语义信息，将点云和图像同时馈入，基于高分辨率特征图为雷达点云和RGB图像生成可靠的3D对象和距离建议。通常，在使用3D信息之前先在雷达点云上建立3D网格图，然后在网格图上处理点云。尽管3D网格表示保留了点云的大多数原始信息，但通常需要更复杂的计算才能进行后续处理。本发明的数据融合模块将雷达点云投影到2D空间中，减少计算量，并且利用概率数据关联算法，将多个传感器的数据进行融合。由于基于每个传感器的独立检测和分类，通过集成多个传感器提取代表性特征的识别结果，可以做出最佳的全局决策。
并且，本发明的数据融合模块提出一种新的特征提取器结构，该结构设计可从雷达点云和RGB图像生成高分辨率的特征图，对物体预计具有较高的检测性能；其次，融合高分辨率特征图以生成可靠的3D目标建议；此外，每个特征图的ROI(感兴趣区域)合并用于获得等长特征向量，并且ROI合并特征图使用逐元素均值运算进行融合。在融合过程中的关键点主要有时间上的同步(时间戳解决)，以及空间上的同步(标定解决)，涉及到包括目标关联+目标滤波+目标跟踪等的多个过程。
标定板30设置在移动载体10中，用于对三维激光扫描仪的坐标系和CCD摄像机的坐标系的空间一致性进行约束，并通过标定算法计算得到三维激光扫描仪和CCD摄像机的标定参数。
本实施例中，利用标定板30，在面向低成本新型固态激光雷达时，提出基于不同扫描模式的激光雷达点云配准算法，针对配准过程中因运动产生的点云畸变问题，提出构建运动模型修正畸变算法。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种城市数据采集***，因为多平台移动测量模块中集成有北斗导航单元、三维激光扫描仪、CCD摄像机以及惯性测量单元这四套核心传感器，能够实现多源数据的高效融合，高效的对城市复杂环境空间的三维全景数据进行采集；因为本实施例设有移动载体来搭载多平台移动测量模块，能够在城市中便捷的进行移动来进行数据采集，实现了数据采集装备的升级和技术手段的革新；因为本实施例设有标定板来计算得到标定参数，并对标定参数优化得到最优标定参数，能够进一步保证标定的准确性，有效提高数据采集的精确度。并且，本实施例实现了空间全景数据采集装备的国产化，填补国内短板，促进基于北斗的空间全景数据在新型智慧城市、数字孪生城市建设中的应用。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种城市数据采集***，其特征在于，包括：
移动载体；
多平台移动测量模块，设置在所述移动载体中，包括用于获取激光点云数据的三维激光扫描仪、用于获取影像数据的CCD摄像机、用于配合获取组合定位定姿数据的定位模块以及微电脑控制器；
标定板，设置在所述移动载体中，用于对所述三维激光扫描仪的坐标系和所述CCD摄像机的坐标系的空间一致性进行约束，并通过标定算法计算得到所述三维激光扫描仪和所述CCD摄像机的标定参数，
其中，所述定位模块包括用于获取定位数据的北斗导航单元和用于获取姿态数据的惯性测量单元，
所述微电脑控制器中还具有立体显示模块，用于根据所述激光点云数据和所述影像数据进行高精度三维数字建模来进行立体显示，
所述微电脑控制器中还具有车载移动测量模块，用于将所述三维激光扫描仪对同一地物多次扫描的激光点云需重合作为约束条件，并使用LM最优化算法优化所述标定参数，通过使多次扫描同名点之间的误差最小对所述标定参数进行优化来得到最优标定参数，所述三维激光扫描仪和所述CCD摄像机根据所述最优标定参数进行标定后采集所述激光点云数据和所述影像数据。
2.根据权利要求1所述的城市数据采集***，其特征在于：
其中，所述多平台移动测量模块还包括接收机、传感器主控电路板、视频分配及选通电路板和图像采集卡，
所述传感器主控电路板和所述视频分配及选通电路板位于所述微电脑控制器内，所述接收机用于接收所述北斗导航单元的信号数据，所述图像采集卡用于接收所述CCD摄像机的影像数据，
所述传感器主控电路板分别与所述接收机、所述三维激光扫描仪、所述视频分配及选通电路板进行数据交互，
所述视频分配及选通电路板与所述图像采集卡相连。
3.根据权利要求1所述的城市数据采集***，其特征在于：
其中，所述三维激光扫描仪将原始的激光扫描数据融合所述三维激光扫描仪的外标定参数以及所述组合定位定姿数据后重建得到三维的所述激光点云数据。
4.根据权利要求1所述的城市数据采集***，其特征在于：
其中，所述微电脑控制器中还具有图像分割模块，所述图像分割模块用于将不同类型的目标进行像素级分类，通过所述CCD摄像机获取的所述影像数据，对多个重叠物体和不同背景的复杂情况进行3D建模，并且确定对象的边界、种类和彼此之间的关系。
5.根据权利要求1所述的城市数据采集***，其特征在于：
其中，所述微电脑控制器中还具有数据融合模块，所述数据融合模块用于根据所述激光点云数据和所述影像数据生成高分辨率的特征图。
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