无GNSS信号下的点云数据采集方法及装置

摘要

本发明提供一种无GNSS信号下的点云数据采集方法及装置，该方法包括：将从地形图中获取的线路数据重采样得到离散化的线路数据；模拟生成整秒PPS脉冲；使用里程计计数并对该计数进行采样，当检测到整秒PPS脉冲时，计算整秒内里程计计数之和，根据里程计参数、上一时刻位置信息以及线路数据计算当前时刻的位置信息；根据当前时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议；利用点云数据采集模块解析GNSS卫星协议进行时间同步并控制激光雷达采集点云数据；利用惯性测量模块解析GNSS卫星协议并实时记录定姿定位数据生成包含位置姿态信息的POS数据；利用里程计数据与外部控制点对POS数据进行优化得到精准的点云数据。本发明相比现有采集方式及装置具有高效率、高精度。

说明书

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，特别是涉及一种无GNSS信号下的点云数据采集方法及装置。

背景技术

移动测量技术作为一种新兴的三维数据获取技术，集成全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)、惯性测量单元(IMU，Inertial MeasurementUnit)、激光雷达(LiDAR，Light Detection and Ranging)、里程计(DMI，DistanceMeasuring Instrument)等传感器，安装在车辆、轮船或飞机等不同平台上，可快速获取三维点云数据。受到卫星信号及精度的影响，长期以来，移动测量技术的应用仅仅局限于卫星信号较好的空旷区域，在无GNSS信号的情况下获取的数据精度较差。突破卫星信号的限制，将移动测量技术应用于卫星信号较差环境下(如城市地铁、隧道等)的数据采集，可以极大的提高数据获取效率和精度。

以无GNSS信号的城市地铁点云数据采集为例，目前通常采用单点测量的方式或者同步定位与地图绘制(SLAM，Simultaneous Localization And Mapping)技术进行点云数据采集。其中单点测量的方式是使用三维激光扫描仪对地铁隧道进行面状定点扫描，然后，通过点云拼接算法进行站点拼接、标定、平差等得到连续点云数据；SLAM技术是在移动的过程中利用激光扫描仪获取点云，并在移动的同时完成点云数据相对位置的解算和匹配，从而得到连续的点云数据。

然而，采用单点测量的方式需要在地铁隧道中布设大量的站点，且站点之间的距离不能超过三维激光扫描仪的有效扫描距离，以便于站点之间点云数据的拼接，由于地铁隧道形态单一，点云拼接的精度也难以保证。SLAM技术进行点云实时匹配的精度依赖于匹配点云之间的同名特征点，相对于特征单一的地铁隧道，同名特征不明显，为了提高匹配精度，往往需要在隧道内布设大量的人工特征点，以实现点云数据之间的精确匹配，此外，在采集过程中移动速度不宜过快、采集距离不宜过长，以保证能够获得较高精度的点云数据，使用该技术进行长距离的地铁隧道点云数据采集较为困难。

因此，如何在不降低获取的点云数据精度的状况下，高效地对长距离的点云数据进行采集，是目前技术人员所要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无GNSS信号下的点云数据采集方法及装置，用于解决现有技术中在无卫星信号情况下，如何在确保精度状况下高效的获取点云数据的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无GNSS信号下的点云数据采集方法，包括：

将地形图中获取的线路数据重新采样，得到离散化的线路数据；

利用PPS发生器模拟生成整秒PPS脉冲；

使用里程计计数并对该计数进行采样，当检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息；

根据当前时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议并将其发送到点云数据采集模块与惯性测量模块；

利用所述点云数据采集模块解析GNSS卫星协议完成时间同步，并控制激光雷达采集点云数据；

利用所述惯性测量模块解析GNSS卫星协议并实时记录定姿定位数据，生成包含位置信息与姿态信息的POS数据；

利用里程计数据与外部控制点依次对所述POS数据进行优化得到相应的点云数据

本发明的另一目的在于提供一种无GNSS信号下的点云数据采集装置，包括：

存储器，用于存储程序；处理器，用于执行所述程序，所述程序进一步包括：

离散模块，其被配置为对地形图中获取的线路数据重新采样，得到离散化的线路数据；

PPS发生器，其被配置为模拟生成整秒PPS脉冲；

DMI处理模块，其被配置为使用里程计计数并对该计数进行采样，当检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息；

模拟GNSS模块，其被配置为根据当前时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议并将其发送到点云数据采集模块与惯性测量模块；

点云数据采集模块，其被配置为解析GNSS卫星协议完成时间同步，并控制激光雷达采集点云数据；

惯性测量模块，其被配置为解析GNSS卫星协议并实时记录定姿定位数据，生成包含位置信息与姿态信息的POS数据；

POS数据优化模块，其被配置为利用里程计数据与外部控制点依次对所述POS数据进行优化得到相应的点云数据。

如上所述，本发明的无GNSS信号下的点云数据采集方法及装置，具有以下有益效果：

本发明在无GNSS信号或GNSS信号较弱情况下，对地形图中获取的线路数据重新采样获取离散化数据，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息，根据该时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议，以该协议为基础利用点云数据采集模块与惯性测量模块采集点云数据并对其优化输出。相对于传统方式，采集点云数据具有更高的效率与精度；相对于SLAM技术，进行点云数据采集的方法具有更好的便捷性。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集方法流程图；

图2显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集方法中步骤S3详细流程图；

图3显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集方法中步骤S7详细流程图；

图4显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置结构框图；

图5显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置中DMI处理模块结构框图；

图6显示为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置中POS数据优化模块结构框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种无GNSS信号下的点云数据采集方法流程图，包括：

步骤S1，将地形图中获取的线路数据重新采样，得到离散化的线路数据；

具体地，按照精度要求从预设比例尺的地形图中获取线路数据，依据预设距离间隔重新采样所述线路数据获取离散的线路数据。例如：对于精度要求为5cm的地铁隧道点云数据采集，可从比例尺为1：500的地形图中提取线路数据，并按照一定间隔距离(如0.1m、0.2m、0.4m、0.5m或1m等)对线路数据进行重新采样，重新采样的离散点包含经度L、纬度B、高度H的位置信息，如表示为(L，B，H)的坐标点，从而得到离散的线路数据，采样间隔距离越小所获取的采样线路数据的精度越高。

步骤S2，利用PPS发生器模拟生成整秒PPS脉冲；

具体地，PPS发生器优选为单片机进行PPS信号模拟，并且为了消除单片机晶振误差对PPS信号的影响，在确认单片机运行稳定后统计整秒的时间间隔，以该时间间隔为整秒间隔进行PPS信号的模拟，从而确保产生的整秒PPS脉冲信号的稳定性。

步骤S3，使用里程计计数并对该计数进行采样，检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息；

具体地，所述里程计在此优选非接触式DMI里程计，使用该里程计计数里程更为精准，在数据采集作业开始时同时使用里程计，并对所述里程计计数进行采样。

步骤S4，根据当前时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议并将其发送到点云数据采集模块与惯性测量模块；

具体地，当接收到整秒PPS脉冲时，根据当前时刻的时间信息与位置信息P₁(L₁,B₁,H₁)模拟GNSS卫星协议，将所述模拟GNSS卫星协议分别发送到点云数据采集模块与惯性测量模块。

步骤S5，利用所述点云数据采集模块解析GNSS卫星协议完成时间同步，并控制激光雷达采集点云数据；

具体地，点云数据采集模块解析GNSS卫星协议完成时间同步，以同一时钟源同步系统，确保数据采集过程中在时间上完全同步(以激光雷达采集程序的时间为同步基准时间)，不仅保证了点云数据、POS数据两种数据采集时间的同步，即，输出的整秒脉冲PPS为惯性测量模块提供了精确地时间信息。

步骤S6，利用所述惯性测量模块解析GNSS卫星协议并实时记录定姿定位数据生成包含位置信息与姿态信息的POS数据；

具体地，由于使用了高精度的惯性测量模块(IMU)，能够测量车辆在行进过程中对应的三维空间的角速度与加速度，从而算出其对应的位置信息与姿态信息，即POS数据，利用惯性测量模块无需依赖外接的其它的辅助设备，能够快速而独立地测量多种定位与地球重力场参数，大大提高作业效率，同时，也克服了传统移动测量所受自然条件的限制。

步骤S7，利用里程计数据与外部控制点依次对所述POS数据进行优化得到相应的点云数据。

其中，外部控制点具体包括采集线路周边有效范围内中各个已知且具有显著性的控制点，另外，受到线路数据精度、里程计计数精度、惯性测量单元精度等的影响，POS数据可能存在一定的误差，为了得到更高精度、更高可靠性的点云数据，需进一步进行优化。

在本实施例中，相比采用单点测量的方式需布设大量的站点，且站点之间的距离不能超过三维激光扫描仪的有效扫描距离，以确保拼接后的点云数据的精确度；而相比SLAM技术而言，需布设大量人工特征点以实现点云数据的精确匹配，且采集速度与采集距离都具有限制；本方法无需拼接，也无需大量站点，通过对采集POS数据进行优化，即可得到精确度较高的点云数据，无论是测量效率还是测量精度都得到了强有力的保证。

请参阅图2，为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集方法中步骤S3详细流程图，包括：

步骤S301，按预设时间间隔采样所述里程计的计数，当检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和；

具体地，以该时间间隔采样里程计的计数，该预设时间间隔可根据用户需求设置，一般设置为50ms，在整秒PPS脉冲信号到达时统计整秒内里程计计数之和。

步骤S302，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述离散的线路数据，沿所述线路数据前进方向插值计算当前时刻的位置信息，其中所述里程计参数包括每周的脉冲数量与车轮周长。

在本实施例中，如果使用50ms的时间间隔对里程计的计数进行采样，当接收到整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和，根据所述里程计每周的脉冲数量(例如，360PPR)与车轮周长L，上一时刻位置信息P₀(L₀，B₀，H₀)以及采样线路数据，沿着采集装置前进方向在采样线路上使用线性插值方式计算当前时刻采集装置的位置信息P₁(L₁，B₁，H₁)。

其中，插值方式包括拉格朗日插值、牛顿插值、分段线性插值与样条插值，在此优选，分段线性插值。

请参阅图3，为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集方法中步骤S7详细流程图，包括：

步骤S701，根据所述里程计的计数数据对POS数据进行初步优化，其中，根据采集时刻T_R的起始位置P_R(L_R，B_R，H_R)，当检测到接收所述整秒PPS脉冲时，根据整秒内里程计的计数之和N、每周脉冲数P、车轮周长L，计算整秒内沿着所述线路数据的前进距离根据所述采样线路数据得到当前时刻T_R+1的位置信息P_R+1(L_R+1，B_R+1，H_R+1)，以整秒内沿着所述线路数据的前进距离为标准校正整秒内POS数据得到初步优化的POS数据；

具体地，即根据计算的前进距离，将当前时刻T_R+1的位置信息P_R+1(L_R+1，B_R+1，H_R+1)进行差值校正，以得到初步优化的POS数据。

步骤S702，以所述线路有效范围内多个特征明显的坐标点为参考点，计算参考点与由所述初步优化的POS数据解算的点云数据中对应位置的坐标差，按照所述坐标差对应校正初步优化的POS数据得到优化的POS数据。

具体地，所述特征明显的坐标点优选为采集线路周边有效范围内特征明显的地物点，或者通过人为布设的控制点，将上述地物点或控制点选为参考点，计算参考点与上述初步优化的POS数据解算的点云数据中对应位置之间的坐标差，例如，沿着采集线路方向的参考点依次为A、B、C，其各自为已知的坐标点，在由初步优化的POS数据解算的点云数据中筛选与参考点对应的坐标点A1、B1、C1，计算参考点A、B、C与其对应的坐标点A1、B1、C1之间的坐标差值，按照所述坐标差依次对其对应的POS数据进行差值校正，再度优化整个POS数据从而确保POS数据的精度。

在本实施例中，通过前后两次进行优化，第一次优化，对随机采集的POS数据按整秒PPS进行优化，大幅度提高了整体POS数据的精确度；第二次优化，以已知的特征显著的坐标点为参考点，将在该参考点与由初次优化的POS数据生成的点云数据对应的坐标点比较，精准优化采集的点云数据，两次优化确保采集的点云数据的精确度。

请参阅图4，为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置，包括：

存储器，用于存储程序；处理器，用于执行所述程序，所述程序进一步包括：

离散模块1，其配置为对地形图中获取的线路数据重新采样，得到离散化的线路数据；

具体地，按照精度要求从预设比例尺的地形图中获取线路数据，依据预设距离间隔重新采样所述线路数据获取离散的线路数据；重新采样的离散点包含经度、纬度、高度的位置信息，能够得到精度更高的线路数据。

PPS发生器2，其配置为模拟生成整秒PPS脉冲；

具体地，PPS(Pulse Per Second，每秒脉冲数)，相比直接的UTC的时间，用户收到时存在延时。为了精确授时，引入PPS信号上升沿来标示UTC的整秒时刻，可精度到纳秒级，且没有累积误差，提高了时间精度。

DMI处理模块3，其配置为使用里程计计数并对该计数进行采样，当检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息；

其中，请参阅图5，为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置中DMI处理模块结构框图，详述如下：

第一DMI处理单元31，其被配置为按预设时间间隔采样所述里程计的计数，当检测接收到来自PPS发生器的整秒PPS脉冲时，计算所述整秒内里程计计数之和；

第二DMI处理单元32，其被配置为根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述离散的线路数据，沿所述线路数据前进方向插值计算当前时刻的位置信息，其中所述里程计参数包括每周的脉冲数量与车轮周长。

模拟GNSS模块4，其配置为根据当前时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议并将其发送到点云数据采集模块与惯性测量模块；

具体地，当接收到整秒PPS脉冲时，根据当前时刻的时间信息与位置信息模拟GNSS卫星协议，将所述模拟GNSS卫星协议分别发送到点云数据采集模块与惯性测量模块。

点云数据采集模块5，其配置为解析GNSS卫星协议完成时间同步，并控制激光雷达采集点云数据；

惯性测量模块6，其配置为解析GNSS卫星协议并实时记录定姿定位数据，生成包含位置信息与姿态信息的POS数据；

POS数据优化模块7，其配置为利用里程计数据与外部控制点依次对所述POS数据进行优化得到相应的点云数据。

具体地，请参阅图6，为本发明提供的一种无GNSS信号下的点云数据采集装置中POS数据优化模块结构框图，详述如下：

第一POS数据优化单元71，其被配置为根据所述里程计的计数数据对POS数据进行初步优化，其中，根据采集时刻T_R的起始位置P_R(L_R，B_R，H_R)，当检测到接收所述整秒PPS脉冲时，根据整秒内里程计的计数之和N、每周脉冲数P、车轮周长L，计算整秒内沿着所述线路数据的前进距离根据所述采样线路数据得到当前时刻T_R+1的位置信息P_R+1(L_R+1，B_R+1，H_R+1)，以整秒内沿着所述线路数据的前进距离为标准校正整秒内POS数据得到初步优化的POS数据；

第二POS数据优化单元72，其被配置为所述线路有效范围内多个特征明显的坐标点为参考点，计算参考点与由所述初步优化的POS数据解算的点云数据中对应位置的坐标差，按照所述坐标差对应校正初步优化的POS数据得到优化的POS数据。

综上所述，本发明在无GNSS信号或GNSS信号较弱情况下，对地形图中获取的线路数据重新采样获取离散化数据，根据所述里程计参数、上一时刻位置信息以及所述线路数据计算当前时刻的位置信息，根据该时刻的位置信息模拟GNSS卫星协议，以该协议为基准利用点云数据采集模块与惯性测量模块采集点云数据并对其优化输出。相对于传统方式，采集点云数据具有更高的效率与精度；相对于SLAM技术，进行点云数据采集的方法具有更好的便捷性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。