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背包里的激光扫描仪

向全地形个人激光扫描仪的演变

2016年2月15日

激光扫描系统在过去的十年中经历了重大的发展。在机载激光扫描仪(ALS)取得初步突破后，其他类型的激光扫描系统也出现了，最显著的是地面激光扫描仪(TLS)和移动激光扫描仪(MLS)。虽然这三种主要类型的激光雷达系统一起服务于大量的应用，但没有一种是优化的快速和灵活的扫描具有挑战性的位置，崎岖的地形和复杂的城市结构。个人激光扫描仪(PLS)填补了这一空白，现在正朝着这个方向发展用于映射复杂环境的紧凑、敏捷和灵活的解决方案．本文解释了新的Akhka R2 PLS，并说明了它在各种应用中的使用。

(作者:Antero Kukko、Harri Kaartinen、Juho-Pekka Virtanen，芬兰)

需要新的3D数据收集工具

许多应用程序需要对象及其周围环境的3D数据。在民用和工业工程、道路建设和维护、城市规划、环境分析和精密林业中都可以找到这样的例子。多年来，激光雷达被广泛用于扫描物体或绘制3D环境，以支持这些应用。ALS、TLS和MLS类型的激光雷达系统各有其应用和优缺点。然而，在有些情况下，这些激光雷达系统都不能使用。例如，栅栏、限制或通道的方向可能会阻止使用MLS的访问，或者地形可能太粗糙或空间太有限。另一方面，TLS可能适用于地形，但由于视点数量有限，以及对成功扫描配准的过度数据冗余的要求，可能不太合适。因此，越来越需要对对象进行建模和监控复杂的环境正在挑战行业开发更完整、更准确、更高效的3D数据收集工具。

重型原型，但容易崎岖的地形

对大规模地貌地貌调查的敏捷现场MLS的需求是本文所描述的背包式移动激光扫描系统Akhka背后的驱动力。这个PLS本质上具有与MLS类似的映射能力。Akhka PLS的第一个原型于2011年初建造，并在芬兰北极地区用于绘制点沙坝(弯曲河流沉积物)和帕尔萨地貌(北极霜隆起)。该原型被证明是功能性的，是进一步改进的良好起点。然而，仍然需要注意的一个特点是系统的重量，因为它太重了，长时间穿着不舒服。然而，在松软的沙地和崎岖的地形上，作业者可以轻松地完成两到三个小时的测绘工作。

Akhka修订

目前生产的Akhka PLS, Akhka R2(修订版2)，现在有一个更轻的扫描仪单元和一个更鲁棒的轨道确定解决方案，多星座全球导航卫星系统(GNSS)耦合到光纤陀螺仪(FOG)惯性测量单元(IMU)。基本版本使用FARO Focus3D 120S扫描仪操作在905纳米激光波长。系统上的激光扫描仪以剖面模式工作，在操作者身后微微前倾的情况下扫描交叉轨迹剖面。
在图1中，GNSS天线(白色板)在顶部，IMU在扫描仪下方。坚固的平板电脑用于存储定位和定时数据;扫描仪数据存储在扫描仪内的SD存储卡上。表1给出了Akhka R2传感器的概述。

传感器类型	模型	特征
GNSS接收机	NovAtel Flexpak6, 702GG天线	GPS l1, l2, l2, l2c, l5;Glonass l1 l2 l2 2c
IMU	诺斯罗普·格鲁曼公司Litef UIMU-LCI	光纤陀螺仪，MEMS加速度计
扫描仪	FARO Focus3D 120S或X330	976,000点/秒，95个剖面/秒
电脑	松下Toughpad FZ-G1	WIN-8.1, 10.1”WUXGA, SSDrive

表1,Akhka R2中的传感器用于集成定位和激光扫描。

简单的安装

整个扫描系统设计成一个背包大小的传感器包。传感器包的理念是将所有传感器刚性地安装在一个紧凑的组合上，以最大限度地增强鲁棒性，并将平台失真和校准需求降至最低。Akhka PLS的R2X版本是Akhka R2的略微改进版本，使用1550纳米激光进行范围定位。这一类包括FARO Focus3D系列扫描仪的长程版本，如模糊范围约300米的X330，但也有X130模型，具有高达150米的测距能力。这些扫描仪本质上与120S版本具有相同的物理尺寸，所以将它们安装到Akhka R2平台上非常简单。传感器组件的结构设计也支持车辆安装选项，在不同的环境和不同的数据需求中具有更大的通用性。

精确的森林覆盖率

使用Akhka R2X收集的林业数据 PLS允许操作人员移动和周围的场景，同时捕捉环境毫米精度。这是绘制森林地图时的一个基本特征。图2显示了使用Akhka R2X系统捕获的森林场景。通过从不同的方向穿过森林来创建一个完全覆盖的数据集来收集该地块。数据显示了森林林分(具有相似特征的树木集合)和地形的详细特征，用于精确的树干计数、体积和冠层覆盖估计以及生物量计算。

撞击坑

通过PLS获取数据，可以获取所有地形细节，这些细节是分析和理解撞击坑和行星模拟任务等专业活动所需要的。此外，PLS系统可用于补充数据或验证来自小规模传感器系统的数据。图3显示了从爱沙尼亚Saaremaa的Kaali陨石坑收集的点云，用于绘制陨石坑的3D形状和大小。随着从点云创建的整体模型，高密度扫描数据也可以用来将陨石坑特征与撞击器的大小联系起来。

洪水

在河流地貌和由水、风、霜或冰产生的其他自然过程等领域，PLS可以生成详细的数据，将3D变化的程度与其他监测过程(如洪水或风(速度和方向))联系起来。图4:西班牙兰布拉德拉维乌达的剖面，代表了洪水事件引起的侵蚀峡谷。

图4:西班牙兰布拉德拉维乌达的剖面，代表了洪水事件引起的侵蚀峡谷。

例如，河流系统的水力模型可以从详细的洪水时期重建中获益，从而将流量和河床特征联系起来。Akhka R2在西班牙瓦伦西亚的Rambla de la Viuda拍摄了一个被洪水侵蚀的小峡谷(图4)，以重建洪水引起的变化，并获得用于水力建模的环境参数(如表面粗糙度)。

城市地图

城市场景地图与PLS

图5:用PLS绘制的城市场景

此外，PLS还可用于城市测绘和工业工程。由于其高流动性，PLS可以捕捉结构的细节。数据收集的速度有助于任务的精确调度。此外，PLS最大限度地减少了过程中断的需要，因此在繁忙的街道和工业环境中进行调查时，它是理想的。城市区域的三维重建(图5)可用于新建结构和建筑的竣工文档和规划的详细信息。

未来

预计，PLS系统，本质上是“MLS在一个背包”，将广泛用于广泛的应用，需要高度详细的数据结构重建和分析。传感器技术正在使系统变得越来越小，从而帮助现场和室内作业，只要综合计算技术发展足够，也能够在gnss拒绝的环境中进行精确定位。市场上已经有了一些非常有趣的小型传感器，集成系统也正在商用基础上推出。然而，对于给定的应用，系统设计中要考虑的主要因素是点和线的测量速率、测距能力和分辨率以及角分辨率。在为每种应用寻找最佳传感器布局和性能水平方面，还有很多工作要做，但个人激光扫描绝对是一项值得关注的技术。