融合北斗_GNSS定位和5...通讯的地基激光雷达测量系统_郭明.pdf

第 31 卷 第 4 期2023 年 2 月Vol.31 No.4Feb.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering融合北斗/GNSS定位和 5G通讯的地基激光雷达测量系统郭明1，2，3，4，齐慧慧1，郭可才5*，周玉泉1，李登科1（1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 102616；2.代表性建筑与古建筑数据库教育部工程研究中心，北京 100044；3.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044；4.建筑遗产精细重构与健康监测北京市重点实验室 北京建筑大学，北京 100044；5.北京申信达成科技有限公司，北京 102444）摘要：针对海量激光点云异地实时扫描处理困难和现场绝对坐标系的配准问题，结合北斗/GNSS定位系统和 5G 通讯技术研制一套低成本地基激光雷达测量系统。该测量系统由激光雷达、高精度电机、北斗/GNSS 接收模块和 5G 模组集成，激光雷达采集点云信息，高精度电机获取角度信息，北斗/GNSS 接收模块接收时间并通过自主研发的时间同步模块，与高精度电机与激光雷达进行时间标记，获取带有时间标签的点云和角度文件，并通过 5G通讯技术实时传输。终端通过自主研发的数据预处理软件，通过线性插值算法进行多帧点云时空配准，室外根据北斗/GNSS 坐标进行多站激光点云粗配准，室内无北斗/GNSS 环境下通过单站特征点进行多站点云粗配准，再利用临近迭代算法进行精配准以完成整体配准，并在自主研发的实时点云管理与可视化系统上进行可视化。实验表明该测量系统使用 5G通讯技术传输速率50 Mbit/s，可以实现异地实时扫描传输，配准后的点云误差在 3 mm 以下，可为数字孪生、物质文化遗产监测、特大异形建筑施工运维分析等实时应用领域提供数字基础设施。关键词：北斗；5G；地基激光雷达；点云配准；可视化中图分类号：TN967.1 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233104.0450Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communicationGUO Ming1，2，3，4，QI Huihui1，GUO Kecai5*，ZHOU Yuquan1，LI Dengke1（1.School of Geomatics and Urban Spatial Informatics，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 102616，China；2.Engineering Research Centre of Representative Building and Architectural Heritage Database，Ministry of Education，Beijing 100044，China；3.Key Laboratory of Modern Urban Surveying and Mapping，National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation，Beijing 100044，China；4.Beijing Key Laboratory for Architectural Heritage Fine Reconstruction&Health Monitoring，文章编号 1004-924X（2023）04-0450-09收稿日期：2022-09-26；修订日期：2022-10-26.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.41971350）；北京建筑大学金字塔人才培养工程建大杰青培养计划资助项目（No.JDJQ20200307）；北京市未来城市设计高精尖创新中心资助项目（No.UDC2019031724）第 4 期郭明，等：融合北斗/GNSS定位和 5G通讯的地基激光雷达测量系统Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；5.Beijing Shenxindacheng Technology Co.，Beijing 102444，China）*Corresponding author，E-mail：Abstract：In response to the difficulties of processing laser point cloud off-site real-time scanning and on-site absolute coordinate system alignment，a low-cost ground-based LiDAR measurement system is developed by combining the BeiDou/GNSS positioning system and 5G communication technology.The developed measurement system is integrated by LiDAR，a high-precision motor，BeiDou/GNSS receiver module，and a 5G module.LiDAR collects point cloud information，the high-precision motor acquires angle information，BeiDou/GNSS receiver module receives the time，the high-precision motor acquires time stamps using a self-developed time synchronization module，and LiDAR obtains the point cloud and angle file with time tag before transmitting in real-time via 5G communication technology.The terminal performs spatial and temporal alignment of multi-frame point clouds by linear interpolation algorithm through self-developed data pre-processing software，coarse alignment of the multi-station laser point clouds based on BeiDou/GNSS coordinates outdoors，coarse alignment of the multi-station point clouds by single-station feature points in an indoor environment without BeiDou/GNSS，fine alignment using the proximity iteration algorithm to complete overall alignment，and visualization on the self-developed real-time point cloud management and visualization system.The experimental results show that the measurement system achieves real-time off-site scanning and transmission at a transmission rate of 50 Mbit/s by using 5G communication technology.The error of the aligned point cloud is less than 3 mm，which can provide digital infrastructure for real-time applications such as digital twin，monitoring of material and cultural heritage，analysis of construction and operation，and maintenance of large buildings.Key words：BeiDou；5G；ground-based LIDAR；point cloud registration；3D visualization1 引 言以激光点云为代表的三维地理信息数据已经成为国民经济建设的基石，行业应用领域对三维地理信息的需求量也日益剧增1-2。泛在测绘技术获取的点云数据是数字基础设施的核心，激光雷达测量技术是泛在测绘技术的重要组成部分，已经成为空间数据获取的重要手段3-5，但激光扫描获取海量点云数据处理困难，难以为数字孪生6、物质文化遗产监测7-8、特大异形建筑施工运维分析9等需要远程自动采集、存储和传输数据的实时应用领域提供数字基础设施。第五代移动通信技术（5G）时代的到来，以毫米波通信为代表的技术引起广泛关注，5G 具有高速率、低时延、大容量等特征，采用 5G 通信技术更能保证数据的可靠性和及时性10-11。同时，我国自主研发的北斗导航系统已全面开通服务，可为全球用户提供高精度定位、导航和授时等服务12-15。为实现海量激光点云异地实时传输，结合北斗/GNSS 定位和 5G 技术研制一款地基激光雷达测量系统。对于北斗卫星导航系统和 5G 通讯技术的研究，目前大部分专家学者都将其应用于城市交通、无人驾驶等方面，对于北斗卫星导航系统和5G 通讯技术在地基激光雷达方面的应用还比较稀缺。市场上现有地基激光雷达，如 FARO 公司的 FARO Focus S350 激 光 雷 达，集 GPS、指 南针、高度传感器及双轴补偿器扫为一体，扫描距离达到 350 m，扫描速度高达每秒 976 000 点。RIEGL 公司推出的 VZ-400i地面激光雷达，内置惯导，提供了 3G/4G 通讯接口、Wi-Fi 和以太网交互硬件，可通过 WiFi和 4G 将激光点云数据实时导入云端，配备处理平台可以同时进行数据在线拼接。该公司推出的 VZ系列可进行超长测距的 VZ-6000 三维激光扫描仪，提供超过 6 000 m的超长距离测量能力，甚至可以在沙尘、雾天、雨451第 31 卷光学 精密工程天、雪天等能见度较低的情况下使用并进行多重目标回波的识别，适用于雪地和冰川测量。天宝公司研制的 TrimbleTX8三维激光扫描仪测距范围约为 120 m，凭借 LightningTM 技术，数据获取速度高达每秒一百万个精确激光点，可以获得具有良好完整性的数据结果，内置集成 HDR 相机可实现快速图像获取用于生成彩色扫描，大大提高外业生产率。国内如数字绿土公司推出的 LiPod 大 空 间 激 光 雷 达 集 激 光 扫 描、影 像 采 集、GNSS16坐标获取为一体，无需标靶特征，短时间内即可快速采集数据，测距精度为3 cm，并通过 WIFI热点的方式进行设备连接。北科天绘的U-Arm 系列地面三维激光激光雷达，内置 GNSS板卡，数据采集频率最高可达 600 KHz。以上市场上主流公司研制推出的激光雷达虽大都内置GNSS 板卡，但没有一款结合 5G 通讯技术，更不具备海量激光点云实时处理系统，无法进行海量数据的实时传输处理17-22。为了填补这一市场空白，解决海量激光点云实时