融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统

郭明; 齐慧慧; 郭可才; 周玉泉; 李登科

doi:10.37188/OPE.20233104.0450

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融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统

现代应用光学 | 更新时间：2023-02-28

- 融合北斗/GNSS定位和5G通讯的地基激光雷达测量系统
- Ground-based LiDAR measurement system integrating BeiDou/GNSS positioning and 5G communication
- 光学精密工程 2023年31卷第4期页码：450-458
- 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：
  
  [ "郭明（1981-），男，湖北黄陂人，博士，教授，博士生导师，2004 年于江汉大学获得学士学位，2008 年于北京建筑工程学院获得硕士学位，2011 年于武汉大学获得博士学位，主要从事激光雷达技术应用及三维地理信息系统方面的研究，研究方向为文化遗产数字化保护、激光雷达测绘技术、移动测量技术、建筑健康监测等。E-mail： guoming@bucea.edu.cn" ]
  [ "郭可才（1983-），男，湖北武汉人，高级工程师，2006年毕业于鄂州大学，现为北京申信达成科技有限公司总经理，主要从事移动LiDAR扫描、工程测量和自动化技术方面的研究。E-mail： 1033547194@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(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(JDJQ20200307);北京市未来城市设计高精尖创新中心资助项目(UDC2019031724)
- DOI：10.37188/OPE.20233104.0450
  中图分类号： TN967.1
- 收稿日期：2022-09-26，
  
  修回日期：2022-10-26，
  
  纸质出版日期：2023-02-25
- 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

references

刘大同，郭凯，王本宽，等 . 数字孪生技术综述与展望［J］. 仪器仪表学报， 2018 ， 39 （ 11 ）： 1 - 10 .

LIU D T ， GUO K ， WANG B K ， et al . Summary and perspective survey on digital twin technology ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2018 ， 39 （ 11 ）： 1 - 10 . （in Chinese）

伍锡如，薛其威 . 基于激光雷达的无人驾驶系统三维车辆检测［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 4 ）： 489 - 497 . doi: 10.37188/OPE.20223004.0489 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223004.0489

WU X R ， XUE Q W . 3D vehicle detection for unmanned driving systerm based on lidar ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 4 ）： 489 - 497 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223004.0489 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223004.0489

GUO M ， SUN M X ， ZHOU T F ， et al . Novel trajectory optimization algorithm of vehicle-borne LiDAR mobile measurement system ［J］. Sensors and Materials ， 2020 ， 32 （ 11 ）： 3935 . doi: 10.18494/sam.2020.3052 http://dx.doi.org/10.18494/sam.2020.3052

乔俊峰，周沅桢，王永，等 . 三维激光扫描测体积技术及其应用进展［J］. 激光与红外， 2021 ， 51 （ 9 ）： 1115 - 1122 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2021.09.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2021.09.001

QIAO J F ， ZHOU Y ZH ， WANG Y ， et al . Advances in 3D laser scanning volume measurement technology and application ［J］. Laser & Infrared ， 2021 ， 51 （ 9 ）： 1115 - 1122 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2021.09.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2021.09.001

GUO M ， ZHOU Y Q ， ZHAO J H ， et al . Urban Geospatial Information Acquisition Mobile Mapping System based on close-range photogrammetry and IGS site calibration ［J］. Geo-Spatial Information Science ， 2021 ， 24 （ 4 ）： 558 - 579 . doi: 10.1080/10095020.2021.1924084 http://dx.doi.org/10.1080/10095020.2021.1924084

张旭辉，吕欣媛，王甜，等 . 数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究［J］. 煤炭科学技术， 2022 ， 50 （ 7 ）： 36 - 49 .

ZHANG X H ， LYU X Y ， WANG T ， et al . Research on decision control system of tunneling robot driven by digital twin ［J］. Coal Science and Technology ， 2022 ， 50 （ 7 ）： 36 - 49 . （in Chinese）

MING ， GUO . Normal cloud model theory-based comprehensive fuzzy assessment of wooden pagoda safety ［J］. Journal of Cultural Heritage ， 2022 ， 55 ： 1 - 10 . doi: 10.1016/j.culher.2022.02.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.culher.2022.02.001

郭明，闫冰男，周腾飞，等 . 激光雷达技术在应县木塔形变分析中的应用［J］. 建筑科学与工程学报， 2020 ， 37 （ 2 ）： 109 - 117 .

GUO M ， YAN B N ， ZHOU T F ， et al . Application of LiDAR technology in deformation analysis of Yingxian wooden pagoda ［J］. Journal of Architecture and Civil Engineering ， 2020 ， 37 （ 2 ）： 109 - 117 . （in Chinese）

郭明，孙梦溪，黄明，等 . 融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 5 ）： 989 - 998 . doi: 10.37188/OPE.20212905.0989 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0989

GUO M ， SUN M X ， HUANG M ， et al . High-precision measurement of steel structure based on LiDAR and UAV ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 989 - 998 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212905.0989 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.0989

NAVARRO-ORTIZ J ， ROMERO-DIAZ P ， SENDRA S ， et al . A survey on 5G usage scenarios and traffic models ［J］. IEEE Communications Surveys & Tutorials ， 2020 ， 22 （ 2 ）： 905 - 929 . doi: 10.1109/comst.2020.2971781 http://dx.doi.org/10.1109/comst.2020.2971781

DANGI R ， LALWANI P ， CHOUDHARY G ， et al . Study and investigation on 5G technology： a systematic review ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2021 ， 22 （ 1 ）： 26 . doi: 10.3390/s22010026 http://dx.doi.org/10.3390/s22010026

谢军，庄建楼，康成斌 . 基于北斗系统的物联网技术与应用［J］. 南京航空航天大学学报， 2021 ， 53 （ 3 ）： 329 - 337 .

XIE J ， ZHUANG J L ， KANG CH B . Internet of Things technology and application based on Beidou system ［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics ， 2021 ， 53 （ 3 ）： 329 - 337 . （in Chinese）

高志钰，郭进义，刘杰 . 北斗在地壳形变监测中的应用进展［J］. 测绘通报， 2022 （ 3 ）： 32 - 35 . doi: 10.3969/j.issn.0494-0911.2022.3.chtb202203007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0494-0911.2022.3.chtb202203007

GAO ZH Y ， GUO J Y ， LIU J . Application progress of BDS in monitoring crustal deformation ［J］. Bulletin of Surveying and Mapping ， 2022 （ 3 ）： 32 - 35 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0494-0911.2022.3.chtb202203007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0494-0911.2022.3.chtb202203007

XIE J ， KANG C B . Engineering innovation and the development of the BDS-3 navigation constellation ［J］. Engineering ， 2021 ， 7 （ 5 ）： 37 - 49 . doi: 10.1016/j.eng.2021.04.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.002

WEISSPETER . Welcome to the global navigation multi-constellation ［J］. Engineering ， 2021 ， 7 （ 4 ）： 421 - 423 . doi: 10.1016/j.eng.2021.03.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.006

郭明，周玉泉，陈才，等 . 北斗导航授时的移动激光雷达测量系统时间同步装置设计［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ S2 ）： 33 - 42 .

GUO M ， ZHOU Y Q ， CHEN C ， et al . Design of time synchronization device for mobile LiDAR measurement system based on BeiDou navigation timing ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ S2 ）： 33 - 42 . （in Chinese）

LI L ， CAO X Y ， SUN J . Three-dimensional point cloud registration based on normal vector angle ［J］. Journal of the Indian Society of Remote Sensing ， 2019 ， 47 （ 4 ）： 585 - 593 . doi: 10.1007/s12524-018-0918-4 http://dx.doi.org/10.1007/s12524-018-0918-4

ZHANG J Y ， YAO Y X ， DENG B L . Fast and robust iterative closest point ［J］. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ， 2022 ， 44 （ 7 ）： 3450 - 3466 .

郭清达，全燕鸣，姜长城，等 . 应用摄像机位姿估计的点云初始配准［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 6 ）： 1635 - 1644 . doi: 10.3788/ope.20172506.1635 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172506.1635

GUO Q D ， QUAN Y M ， JIANG CH CH ， et al . Initial registration of point clouds using camera pose estimation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 6 ）： 1635 - 1644 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172506.1635 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172506.1635

GUO M ， YAN B N ， WANG G L ， et al . Iterative automatic global registration algorithm for multi-view point cloud of underground tunnel space ［J］. Measurement and Control ， 2021 ， 54 （ 3/4 ）： 385 - 395 . doi: 10.1177/00202940211003935 http://dx.doi.org/10.1177/00202940211003935

曾如铁，徐金鸿 . 基于PCL的点云数据粗配准算法研究［J］. 测绘科学技术， 2019 （ 1 ）： 18 - 23 . doi: 10.12677/gst.2019.71004 http://dx.doi.org/10.12677/gst.2019.71004

ZENG R T ， XU J H . PCL-based coarse registration algorithm for point cloud data ［J］. Geomatics Science and Technology ， 2019 （ 1 ）： 18 - 23 . （in Chinese） . doi: 10.12677/gst.2019.71004 http://dx.doi.org/10.12677/gst.2019.71004

王欣，张明明，于晓，等 . 应用改进迭代最近点方法的点云数据配准［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 9 ）： 2068 - 2077 . doi: 10.3788/ope.20122009.2068 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122009.2068

WANG X ， ZHANG M M ， YU X ， et al . Point cloud registration based on improved iterative closest point method ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 9 ）： 2068 - 2077 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20122009.2068 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20122009.2068

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