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专利号: 2018112242387
申请人: 南京林业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统,其特征在于:包括采集系统和处理系统,所述采集系统包括地面测量系统和无人机测量系统;

所述地面测量系统包括可移动车辆、车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源,所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱和车载电源均安装在所述可移动车辆上,所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元和车载IMU惯性测量单元均与车载数据采集箱电连接,所述车载二维激光扫描仪、车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元、车载数据采集箱均和车载电源电连接;

所述无人机测量系统包括无人机、机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源,所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱和机载电源均安装在所述无人机上,所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元和机载IMU惯性测量单元均与机载数据采集箱电连接,所述机载二维激光扫描仪、机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元、机载数据采集箱均和机载电源电连接;

所述地面测量系统和无人机测量系统分别采集数据至处理系统,处理系统对数据进行处理从而得到林区树木的三维点云坐标信息。

2.一种用于权利要求1所述的基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法,其特征在于,包括:(1)处理系统获取地面测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息,获取无人机测量系统的GPS数据、IMU数据、激光扫描数据以及分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息,获取GPS参考基站的GPS数据以及与该GPS数据对应的时间信息;

(2)将地面测量系统的GPS数据、无人机测量系统的GPS数据和GPS参考基站的GPS数据均转换为GPB格式,并对转换后的GPS数据进行处理得到地面测量系统的差分全球定位系统数据和无人机测量系统的差分全球定位系统数据;

(3)利用时间节点将地面测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合,利用时间节点将无人机测量系统的IMU数据和差分全球定位系统数据进行整合;

(4)将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下;利用坐标旋转矩阵将地面测量系统和无人机测量系统的激光扫描数据均匹配到UTM坐标中,建立三维点云坐标信息;

(5)对得到的三维点云坐标信息进行整体配准,剔除噪声点以及冗余的点,用聚类算法对其进行点云的压缩得到完整的林区树木的三维点云信息。

3.根据权利要求2所述的基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法,其特征在于,所述的步骤(1)具体包括:车载数据采集箱通过车载GPS定位单元、车载IMU惯性测量单元和车载二维激光扫描仪分别采集地面测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据,并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息,车载数据采集箱传输数据至处理系统;机载数据采集箱通过机载GPS定位单元、机载IMU惯性测量单元和机载二维激光扫描仪分别采集无人机测量系统的GPS数据、IMU数据和激光扫描数据,并生成分别与该GPS数据、IMU数据和激光扫描数据对应的时间信息,机载数据采集箱传输数据至处理系统;GPS参考基站将GPS参考基的GPS数据以及对应的时间信息传输至处理系统。

4.根据权利要求2所述的基于二维激光扫描仪的林木信息测量系统的数据处理方法,其特征在于,所述的步骤(4)具体包括:(a)处理系统将地面测量系统和无人机测量系统的差分全球定位系统数据、IMU数据和激光扫描数据整合到同一坐标系下;

(b)根据地面测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵,根据无人机测量系统的IMU数据以及公式(1)计算相应的坐标旋转矩阵;坐标旋转矩阵的计算方法为:其中Rx为绕X轴的旋转矩阵,θ为IMU惯性测量单元采集的X轴的旋转角度,Ry为绕Y轴的旋转矩阵,φ为IMU惯性测量单元采集的Y轴的旋转角度,Rz为绕Z轴的旋转矩阵,γ为IMU惯性测量单元采集的Z轴的旋转角度;

(c)在两个相邻的GPS点中插入有若干个差分点,计算插入的差分点到初始GPS点的向量

其中 为初始GPS点P1的GPS坐标, 为与点P1相邻的GPS点P2的GPS坐标,tP1是记录初始GPS点P1的GPS坐标数据时的时间节点信息;tP2是记录GPS点P2的GPS坐标数据时的时间节点信息;tL是记录激光扫描数据时的时间节点信息;

(d)计算地面测量系统的原始坐标向量为:

计算无人机测量系统的原始坐标向量为:

其中DL-c为二维激光扫描仪记录的冠层到二维激光扫描仪间的距离,α为激光的角度,为二维激光扫描仪的坐标与GPS坐标的偏移量;

(e)利用坐标旋转矩阵校正原始坐标向量得到向量 即利用地面测量系统的坐标旋转矩阵校正地面测量系统的原始坐标向量,利用无人机测量系统的坐标旋转矩阵校正无人机测量系统的原始坐标向量;

(f)按照公式(5)分别计算车载二维激光扫描仪和机载二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标,公式(5)为:其中 为二维激光扫描仪探测的冠层点的三维坐标,所述的二维激光扫描仪为车载二维激光扫描仪或机载二维激光扫描仪。