Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication

GUO Ming; QI Huihui; GUO Kecai; ZHOU Yuquan; LI Dengke

doi:10.37188/OPE.20233104.0450

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Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-02-28

- Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 4, Pages: 450-458(2023)
- 作者机构：
  
  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
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233104.0450
  CLC： TN967.1
- Received：26 September 2022，
  
  Revised：26 October 2022，
  
  Published：25 February 2023
- 稿件说明：
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郭明,齐慧慧,郭可才等.融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统[J].光学精密工程,2023,31(04):450-458.

GUO Ming,QI Huihui,GUO Kecai,et al.Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(04):450-458.
郭明,齐慧慧,郭可才等.融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统[J].光学精密工程,2023,31(04):450-458. DOI： 10.37188/OPE.20233104.0450.

GUO Ming,QI Huihui,GUO Kecai,et al.Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(04):450-458. DOI： 10.37188/OPE.20233104.0450.

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。

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.

关键词

Keywords

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