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技術 | 移動三維激光雷達系統在帶狀測區的應用和展望


Mobile LiDAR System移動三維激光雷達系統(MLS)之所以成為測繪界的新寵并大行其道,其關鍵在于這種新型的測量方式能夠在正常的單位時間投入內高效采集全方位的高分辨率空間三維地形數據。當激光雷達在一條長廊里掃描的時候,它不僅獲取到了周邊物體的坐標信息,還能創建整個帶狀空間范圍的詳細三維模型。而這些豐富的高精度點云數據,用于解決譬如:繪制道路資產、評估道路表面狀況、量測道路幾何模型、為擴建道路提供參考依據等實際問題。


優于傳統的帶狀圖測量方式


其實,相比起傳統的測量方式激光雷達具有很多方面的優勢,包括高速數據采集(降低時間和成本),高密度點云信息(物無巨細,盡收眼底),復雜地形測繪(將問題數據小化),遙感方式數據采集(大大提高測繪效率和操作安全性),彩色三維點云成果輸出(準確呈現測繪場景)。當激光雷達技術被越來越多的單位廣泛采納并投入帶狀測區(尤其是高速公路)測量以后,人們發現這種方式比傳統模式可以降低不少成本。


現有的移動激光雷達系統


在過去的十年當中,涌現了許多成功推出激光雷達系統解決方案的廠商,常見的有:RIEGL、Teledyne Optech、3DLaser Mapping、拓普康、Reinshaw(現為Carlson軟件公司)、天寶、三菱電機、徠卡和Siteco Informatica。


每套激光雷達系統的定向架構是各不相同的。例如,RIEGL VMX-2HA,Lynx SG、StreetMapper IV、Dynascan S250、天寶MX9和徠卡Pegasus:Two Ultimate應用的是雙激光頭組合,而IP-S3 HD1和MLS-G220ZL有三個激光頭,Road-Scanner4則只配備一個。通常來說,這些多激光頭的解決方案相當昂貴(超過25萬美元),體積尺寸較大,而且須接受操作培訓。


硬件組成和數據處理


LiDAR是一套基于位置與姿態信息采集功能的激光掃描儀與相機集成系統。不斷發展的激光雷達硬件技術逐步地提升著三維激光的測量效果。新式、小型化的傳感器技術使系統集成變得更加容易,同時,也為這類輕巧的系統集成安裝到各種移動載體上提供了大的便利。小型化的解決方案為多領域應用和降低價格門檻開辟了一條新的道路。


盡管激光雷達的硬件提升了不少,但技術應用的瓶頸已經從數據采集部分轉移到了數據處理部分。由于激光雷達采集到的數據密集且龐大,后期處理涉及到不少的人工干預,地物提取自動化也只是實現了一部分而已。打比方說,車載激光雷達以50公里的時速移動掃描,每一公里能夠獲取大約1GB左右的的數據量,如此一來,終的原始數據在一臺工作站電腦上需要整整一周的時間進行處理。


考慮到這些現實情況,業界和學界正在研究自動化數據處理的方法和軟件工具,以便從激光雷達的海量數據里提取帶狀路形信息。在場景復雜和數據性質混亂的情況下,自動化識別路面物體是相對比較困難的。現有的許多半自動化提取方法,可用于普通的地物,譬如:在高速公路上作業,高低植被、電線桿、電力線、墻壁和建筑物都是可以識別提取的。然而,此實用性限于結構分明且可預測的激光雷達數據集。


挑戰與展望


由于激光雷達設備機身結構被固化,里邊所能加載的傳感器有限,市面上的激光雷達基本上都是在一個特殊定制的平臺上使用,意味著轉移到另一個非定制的平臺上使用則是不現實的,安裝起來費勁又費時。通常來說,在一條車流繁忙的高速路上使用車載激光雷達掃描,采集到的數據將會是不完整的,一些重要信息片段因為其他車輛的遮擋而未被掃描得到。目前,要么在非繁忙時段進行采集,要么增加測回反復采集。不規則空間、遮擋和復雜幾何場景造成的數據缺口,使路面信息的自動分割和分類處理工作變得更加繁瑣。另外,為了獲得高精度的定位數據,一定量的地面控制點也不能少。

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車載激光雷達的道路掃描及地物提取透析圖


傳感器的小型化很好地解決了系統集成和安裝工藝的剛需問題,但面向個別具體應用的布局設計優化仍然任重而道遠。相信在未來,我們將看到更多新式的激光雷達系統集成工藝,可在不同的平臺上輕松安裝和檢校,以便根據不同需求采集各種數據。測量員可通過即插即用的方法在野外自定義所需的激光雷達掃描系統。


在不久的將來,我們將迎來用于測圖領域的多個傳感器集成技術革新,包括關于機器人自動化和計算機視覺技術的激光雷達掃描和視覺定位測圖概念,基于影像的空間定位等等。這將大大地推動起輕小型且價格門檻更低的激光雷達系統產品應用于移動三維數據采集和更新現有的數字三維模型。不言而喻,在場景復雜的道路三維點云里實現地物提取自動化,把人工干預程度至小化,這是一個非常關鍵的需求點。對于數據分類的深度學習和應用,整個業界都在等待這方面的發展。


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