同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及方法技术方案

本发明专利技术公布了一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，包括二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、影像数据获取单元，用于同时获取扫描地物三维立体空间中偏振信息、反射强度和三维彩色点云；本发明专利技术提供一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，结构紧凑简单、性能可靠稳定，成本低、精度适中、近距、可多维获取信息，可广泛应用于室内外多种环境下的带有偏振信息、反射强度信息的三维彩色点云数据获取，解决当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。

Laser scanning multidimensional short range remote sensing system and method for simultaneous acquisition of object information

This invention has published a laser scanning multidimensional remote sensing system and synchronous acquisition method, which includes two dimensional laser radar, rotating polarizer, high precision pulse rotary table and image data acquisition unit. It is used for simultaneous acquisition of polarization information, reflection intensity and three-dimensional space in the three-dimensional space of the scanned objects. The invention provides a three-dimensional laser radar with simultaneous acquisition of polarization, reflection intensity information and color point cloud. It has a compact and simple structure, reliable and stable performance, low cost, moderate precision, close range and multidimensional access to information. It can be widely used in multiple environment with polarization information and inverse. The three-dimensional color point cloud data acquisition of the intensity information can solve the contradiction between the shortage of information, the complex volume of equipment, the excess of precision and the high cost in the application of the three dimensional laser radar in the plant quantitative measurement and parameter inversion.

【技术实现步骤摘要】
同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及方法
本专利技术涉及激光扫描多维近距遥感数据获取技术，尤其涉及一种同步获取地物偏振属性、反射强度和彩色点云信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法。
技术介绍
遥感技术可以在远离目标和非接触目标的条件下探测目标物体，激光雷达作为一种新兴的主动遥感技术，因其可以快速、准确获取扫描对象表面三维点云数据，使三维激光雷达在三维建模、数字城市、文物保护、植物参数定量测量和反演等方面取得了大量成功应用。随着需求不断提出，对激光雷达的发展提出了新的要求。偏振激光雷达由于光束集中、脉冲能量大能够获取长距离气溶胶浓度的垂直廓线。反射强度能够反映扫描对象材质的反射电磁波的强弱能力，有助于探知目标的材料属性。彩色点云能够反映扫描目标光谱信息，有助于地物分类。当前，已有的三维激光雷达能够获取扫描对象的表面三维点云数据，但系统复杂、价格高昂、对于精度要求较低、近距扫描应用中性能明显过剩。而二维激光雷达测量扫描对象的距离信息和表面反射强度信息，仅能够获取平面廓线上的扫描距离，信息维度低、表现内容少，无法感知复杂三维场景。影像传感器可以记录拍摄目标的影像数据并感知环境的光照信息，能够反映拍摄对象颜色信息，但数据的可量测能力不足。现有的三维激光雷达技术还无法实现同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云信息，无法满足诸多应用领域对价格低廉、满足一定精度要求、近距、多维信息获取的要求，因此，迫切需要一种同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感装置和遥感数据获取技术方案。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，该系统是一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的低成本、精度适中、近距、可多维信息获取的激光雷达设备，能够解决当前尚未有一种兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，以及当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。本专利技术提供的技术方案是：一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统(装置)，可同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息。所述激光扫描多维近距遥感系统包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、脉冲信号电缆、供电电缆、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器、控制单元。其中，影像数据获取单元通过固定块与二维激光雷达连接固定，影像数据获取单元处于系统的最上部，二维激光雷达处于装置的中部，旋转台处于装置的下部，旋转偏振镜位于二维激光雷达正前方；二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由电源供电；高精度脉冲旋转台由连接底座通过脚架刚性固定连接；旋转偏振镜用于通过调节偏振镜旋转角度实现重复对场景进行扫描。影像数据获取单元的拍摄方向与二维激光雷达的扫描方向一致。二维激光雷达和高精度脉冲旋转台控制器由控制单元控制，通过信号传输电缆传输指令和接收信号。脉冲信号电缆连接高精度脉冲旋转台与控制单元；供电电缆连接电源、高精度脉冲旋转台与二维激光雷达；信号传输电缆连接二维激光雷达和控制单元，将扫描信号传输回控制单元；脉冲旋转台控制器用于控制高精度脉冲旋转台的转速；控制单元接收二维激光雷达扫描中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息，由控制单元计算得到带有反射强度信息的三维点云数据。影像数据获取单元同步获取的扫描场景图像，扫描场景图像在控制单元中生成全景影像与三维点云，点云与全景影像信息融合后生成彩色三维点云，从而得到扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。针对上述同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统，具体实施时，所述二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由220VUPS电源供电。旋转偏振镜可人为调节偏振镜旋转角度，以每隔15(30或45)度角进行旋转。通过控制单元可以对二维激光雷达的扫描分辨率、扫描频率等参数进行设置。控制单元还可以对高精度脉冲旋转台控制器进行参数设置，间接控制高精度脉冲旋转台的转速。影像数据获取单元每隔72°拍摄一张彩色图像，同步获取的扫描场景的5幅图像。扫描场景的5幅图像在控制单元中生成全景影像，全景影像与三维点云，点云映射产生彩色三维点云。最终，装置产生扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。本专利技术还提供一种利用上述同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统，同步获取地物偏振属性、反射强度和彩色点云数据的方法，包括如下步骤：1)将本专利技术安置在扫描对象前(如：林木)，将偏振镜旋转到初始位置，接通电源，打开脉冲旋转台控制器，通过控制单元设置扫描范围和角分辨率参数并开始扫描。2)通过二维激光雷达向扫描对象发射激光脉冲，根据光速与传播时间计算得到扫描对象在极坐标系下的距离信息，同时二维激光雷达内的激光器以设置的角度分辨率旋转并记录下转过的角度信息，以及相应的反射强度信息。然后，控制单元根据旋转台的转速与二维激光雷达获取廓线时间将极坐标系下的距离和角度信息转换为三维点云，标记为点云A。同时影像数据获取单元每隔72°拍摄一张彩色图像。3)将旋转偏振镜转过一定角度，相同参数下重复对场景进行扫描，获取点云B。4)采用迭代最近点(ICP)算法，将点云A和点云B进行配准，得到点云A中任一点在点云B中对应点组成点对，点对的反射强度差异即地物的偏振属性。5)步骤2)获取的5张反射彩色图像，经拼接生成全景影像。全景影像与点云A或点云B做异源数据配准，得到三维点与全景相元映射关系，从而生成带有彩色信息的三维点云数据。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供一种同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及同步获取方法，包括二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、影像数据获取单元，用于同时获取扫描地物三维立体空间中偏振信息、反射强度和三维彩色点云。本专利技术提供兼具同步获取偏振、反射强度信息和彩色点云能力的三维激光雷达，结构紧凑简单、性能可靠稳定，低成本、精度适中、近距、可多维获取信息，可广泛应用于室内外多种环境下的带有偏振信息、反射强度信息的三维彩色点云数据获取，获取的多种信息可用于大气气溶胶浓度反演、三维建模、植物参数反演。本专利技术能够解决当前三维激光雷达在植物定量测量和参数反演应用中存在信息量不足、设备复杂体积大、精度过剩和成本高昂之间的矛盾的问题。附图说明图1为本专利技术提供的同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统及其相关应用领域。图2为本专利技术实施例提供的同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息的激光扫描多维近距遥感系统的结构图；其中：1—影像数据获取单元；2—固定块；3—二维激光雷达；4—旋转偏振镜；5—高精度脉冲旋转台；6—连接底座；7—配套三角脚架；8—脉冲信号电缆；9—供电电缆I；10—信号传输电缆I；11—供电电缆II；12—信号传输电缆II；13—220VUPS电源；14—脉冲旋转台控制器；15—控制单元。图3为利用本专利技术提供的激光扫描多维近距遥感系统同步获取地物信息的方法流程框图。具体实施方式下面结合附图，通过实施例进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。图1表示了本专利技术提供的遥感系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光扫描多维近距遥感系统，包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器和控制单元；用于同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息；所述影像数据获取单元位于系统的上部；二维激光雷达置于系统的中部；高精度脉冲旋转台位于系统的下部；旋转偏振镜位于二维激光雷达正前方；高精度脉冲旋转台由连接底座通过脚架刚性固定连接；影像数据获取单元通过固定块与二维激光雷达固定连接；影像数据获取单元用于每隔一定角度拍摄获取扫描场景图像；二维激光雷达用于扫描得到中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息；影像数据获取单元的拍摄方向与二维激光雷达的扫描方向一致；二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由电源供电；脉冲旋转台控制器用于控制高精度脉冲旋转台的转速；旋转偏振镜用于通过调节偏振镜旋转角度实现重复对场景进行扫描控制单元用于控制二维激光雷达和脉冲旋转台控制器，通过信号传输电缆传输指令和接收信号，包括：接收二维激光雷达扫描得到的中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息，并计算得到带有反射强度信息的三维点云数据；接收影像数据获取单元同步获取的扫描场景图像，生成全景影像与三维点云；再将点云与全景影像信息进行融合，生成彩色三维点云，由此得到扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。...

【技术特征摘要】
1.一种激光扫描多维近距遥感系统，包括影像数据获取单元、固定块、二维激光雷达、旋转偏振镜、高精度脉冲旋转台、连接底座、信号传输电缆、电源、脉冲旋转台控制器和控制单元；用于同步获取地物偏振属性、反射强度和颜色信息；所述影像数据获取单元位于系统的上部；二维激光雷达置于系统的中部；高精度脉冲旋转台位于系统的下部；旋转偏振镜位于二维激光雷达正前方；高精度脉冲旋转台由连接底座通过脚架刚性固定连接；影像数据获取单元通过固定块与二维激光雷达固定连接；影像数据获取单元用于每隔一定角度拍摄获取扫描场景图像；二维激光雷达用于扫描得到中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息；影像数据获取单元的拍摄方向与二维激光雷达的扫描方向一致；二维激光雷达和高精度脉冲旋转台的控制器由电源供电；脉冲旋转台控制器用于控制高精度脉冲旋转台的转速；旋转偏振镜用于通过调节偏振镜旋转角度实现重复对场景进行扫描控制单元用于控制二维激光雷达和脉冲旋转台控制器，通过信号传输电缆传输指令和接收信号，包括：接收二维激光雷达扫描得到的中心到目标表面距离、扫描角度和反射强度信息，并计算得到带有反射强度信息的三维点云数据；接收影像数据获取单元同步获取的扫描场景图像，生成全景影像与三维点云；再将点云与全景影像信息进行融合，生成彩色三维点云，由此得到扫描场景三维空间带有色彩和反射强度信息的三维点云数据。2.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，所述电源为220VUPS电源。3.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，可人为调节偏振镜的旋转角度，以每隔15度、30度或45度角进行旋转。4.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，所述控制单元用于设置二维激光雷达的扫描分辨率和扫描频率参数；还可用于设置脉冲旋转台控制器的转速参数。5.如权利要求1所述的激光扫描多维近距遥感系统，其特征是，影像数据获取单元拍...

【专利技术属性】
技术研发人员：林沂，史振伟，晏磊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11