论文专区▏船载多传感器综合测量系统点云实时显示技术
【编者按】船载多传感器综合测量系统集成了三维激光扫描仪、多波束测深仪、GNSS、IMU、传感器稳定平台等传感器，采用非接触式的测量方式同步获取水上水下地形，在海岸带和海岛礁测绘中有巨大的应用价值。由于测量瞬时数据量大，系统点云实时显示是采集软件的重要组成部分。本文在有效地控制时间同步的前提下，优化数据融合效率，采用VTK（visualization toolkit）技术实现了海岸线上下一体化点云实时显示，有效地提高了系统的信息挖掘能力和现场决策支持能力，最终实现了水上水下一体化测量。本文发表在《海洋测绘》2015年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。宿殿鹏，1988出生，男，山东烟台人，博士研究生，山东科技大学测绘科学与工程学院，主要从事海洋测绘及三维激光扫描研究。
文/宿殿鹏 阳凡林 石波 冯成凯 杨东清
一、引言
海岸线是海域使用权属管理和土地权属管理的分界线，共同覆盖了国家整个主权领域[1]。我国海岸线长约1.8万公里，拥有约300万平方公里海洋国土面积。然而，我国的相当一部分海洋国土并没有实际控制在我们手中，约有120万平方公里的海洋国土与周边国家存在争议[2]。海岛（礁）是领海基点最理想的设置点，在海域划界中占有极其重要的地位，逐渐成为各国争夺海洋权益、扩大资源开发的焦点[3]。
因此，精确测定海岸线、海岛（礁）的位置，测制大比例尺地图，准确掌握我国海洋的总体分布及其周边资源环境地理特征，对海洋开发、海洋维权、海洋科学研究等都具有重要的意义。
海岛礁和大陆沿线海岸带的浅海地形测图，任务量大、测量难点多。由于周边环境复杂，传统测绘技术难以满足海岸线、海岛（礁）等测绘的需求。船载海岸线上下一体化测图系统采用非接触式的测量方式，能够同步获取海岸线上下地形，在海岸带、岛礁测绘中具有重要的应用价值。基于运动载体（车、船、飞机等）的多传感器数据采集系统是当前三维数据快速获取的一种重要手段。2010年3月，英国MDL公司研发的Freedom号QINSy激光测量船在英国泰晤士河进行了系统海试，实现了岸边和水下地形地貌的同步测量[4]。目前应用于测量船上进行海岸线上下一体化测量的激光器主要有英国MDL公司的DynaScan系统、Leica HDS6000/6100、REIGL V系列等[5]，这些激光器协同多波束系统通过QINSy软件同时采集海岸线上下地形数据。其中，利用RIEGL VZ-400集成的激光船已经成功应用于摩洛哥海滨的测量作业。
相比于国外成熟的QINSy激光测量船，我国该项技术发展相对缓慢[6]。为此，本项目组针对海岸线、海岛（礁）等测绘的需要，设计研发了船载多传感器综合测量系统，以实现海岸线上下一体化三维测量，提高测量效率。本文主要解决船载多传感器综合测量系统点云实时显示功能的实现。通过点云实时显示能够有效表达测量系统实时数据采集情况，方便用户直观的了解瞬时测量情况和总体探测概况。在保证测量安全的情况下，适时调整测量船距海岸线、岛礁的距离，以获取测区地形地貌。
二、点云实时显示关键技术
⒈ 船载测量系统设计
船载多传感器综合测量系统主要将三维激光扫描仪、多波束测深仪、GNSS、IMU、传感器稳定平台等集成在测量船上，其基本思想是：系统通过传感器稳定平台，将水上水下设备进行固联，用以确定扫描仪、多波束与GPS的空间位置关系，从而将组合导航GPS/IMU的实时位置、姿态信息提供给激光扫描仪和多波束。通过船载多传感器的协同信息采集，将测得的点位坐标归算到统一的坐标系下，实现海岸线上下一体化测量，完成不易登陆的海岛礁岸边和周边区域的地形和属性信息的快速提取。
本系统通过非接触移动测量方式来快速获取高精度的三维数据，克服了传统的测量技术限制，大大提高了测量效率。
⒉ 网络通信与多线程技术
点云实时显示功能作为显控系统软件的一个重要模块，需要各传感器协同完成。网络通信接口是测量系统中多传感器与点云实时显示计算机进行通讯的唯一接口，基于Qt的TCP/IP网络编程来进行网络通信，实现点云实时显示的数据传输。
为提高测量系统集成的可扩展性，确保数据流的高效传输，将整个显控软件分为监控端（TCP客户端）和各传感器采集端（TCP服务器）。监控端（Monitor）通过与采集端进行通信连接，发送控制命令（下行数据），并接收采集端的反馈信息及传输的采集数据信息（上行数据[7]）。采集端采用两套socket，同时与监控端和传感器建立通信，在整个数据传输中起到桥梁的作用。监控端与采集端分工明确，各司其职，组成完整的网络通信体系。
在点云实时显示过程中，考虑到整个系统上行数据量巨大，若整个数据传输仅采用单一线程，势必会影响显控界面的响应速度。针对此问题，算法设计采用Qt多线程技术与创建缓冲区相结合的方法来解决。算法中除了主线程外，还提供三个子线程（图1）。主线程主要负责下行数据的通讯传输；三个子线程分别用于传输原始数据等上行数据，并且在由采集端发送至监控端的过程中，上行数据需要先保存到预先开辟的缓冲区中，待达到一定量再以报文的形式发送到监控端，进行数据存储和可视化，实现海岸线上下地形瀑布式显示。
⒊ 数据内插
系统水上部分采用的激光扫描仪，在扫描频率300kHz的条件下，有效激光点可以达到每秒钟122000个；相比较而言，GPS/IMU组合导航输出频率为200Hz，即5ms输出一次位置和姿态信息，不能满足空间配准的需求。因此，需要将位置和姿态数据进行内插。测船相对来说，速度较慢，可认为其在短时间内是匀速运动的[3]，内插算法采用线性内插即可。
内插前需要对信号进行滤波，包括回波信号、距离和时间去噪等三次滤波过程。流程图见图2。
⑴回波信号去噪。系统除了提供激光脚点的距离、角度和时间信息外，还提供激光回波信号的强度信息，对于不同的介质获取的回波强度信息也不同。本次数据内插借助激光回波强度信息进行相应去噪，将激光扫描回波强度信息为零的点剔除，去除部分冗余数据，提高数据内插效率。
⑵距离去噪。本系统扫描仪在反射率90%的情况下，最大测量距离可以达到1400m，若是超过最大量程，测量精度会大大降低；同时考虑到最小测量距离为1.5m，所以内插时需要将测量距离阈值设定在1.5m～1400m之间进行去噪。
⑶时间去噪。扫描仪和IMU记录的都是带有时间信息的数据，位置和姿态数据进行数据内插也是以时间同步为基准的，这就要求扫描仪所采集的数据在IMU记录的时间范围之内。因此，时间去噪通过对IMU时间内的扫描仪点进行查询将扫描点不在IMU时间内的数据剔除。
通过以上相应去噪后，针对单个扫描点的时间寻找最近点IMU信息，以此来进行线性内插获取每个扫描点的姿态和BLH信息。图3为系统海域的姿态数据内插效果图，为实测数据处理结果。利用内插获取的数据信息，就可以进行空间配准，最终将水上水下传感器坐标系下的测点坐标归算到地理坐标系下。
⒋ VTK点云一体化实时显示
考虑到实时点云数据量大，需要提供高效的实时刷新，所以本模块采用VTK技术来实现点云的实时显示。其关键技术是设计高效的可视化管道，将源（Source）、过滤器(Filter)和映射器（Mapper）、角色(Actor)和渲染器(Render)连接起来，具体管线设计见图4。
根据可视化管线的设计，依次进行数据的读取、过滤、映射、Actor的执行和点云渲染显示。其具体算法实现为：
⑴数据的读取。传感器实时将数据发送到界面并进行数据融合，为VTK提供数据对象。采用vtkCamera设置视角、焦点，以便识别实时点位。
⑵数据的过滤。将原始数据经过过滤器vtkFilter的处理后，转换为可以直接用算法模块对其进行处理的形式。
⑶映射的实现。根据图4的设计，应用映射器Mapper来提供显示过程中的接口，采集到的数据对象需要通过Mapper映射到vtkActor中。
⑷Actor的执行。通过创建角色Actor来进行点云图形的绘制，具体实现包括物体的表面属性、物体的显示方式、物体的纹理映射、设置缩放比例等。
⑸渲染显示。采用基类vtkRenderer来管理光源、照相机和绘制点云的位置、属性等，在建立好Renderer的基础上将其添加到RenderWindow中将场景显示出来。首先创建渲染器ren，建立与角色Acotor的关系，设置点云显示背景等具体操作；然后创建显示窗口win，建立其与渲染器ren的关联；最后设置渲染窗口，并在显控界面的qvtkWidget部件中将点云显示出来。
通过整个可视化管线的运行，最终完成扫描点云的实时显示，以瀑布式点云展示给用户。
三、实验及分析
⒈ 实验情况
2014年5月，项目组在海南对本系统进行了应用示范，对系统的点云实时显示功能进行了针对性测试。其中，系统水上部分采用RIEGL VZ-1000激光扫描仪，最大测量距离为1400m，测量精度8mm，垂直扫描角度为30°～130°；系统水下部分采用多波束SONIC 2024，最大量程500m，量程分辨率为1.25cm，覆盖宽度10°～160°，分为256个波束。
图5给出了系统对海南省文昌市清澜港测量的实验效果图，在反映地形几何特征的前提下，将测量信息实时的反馈给用户，有效地提高了系统的信息挖掘能力和现场决策支持能力，实现了一体化测量。
⒉ 结果分析
通过对本系统的点云实时显示功能测试表明：测量数据能够高效地在显控软件中显示，同时经过数据融合实现点云的实时显示，界面点云更新算法的优化使得点云实时刷新及时、高效，能够准确的反映所测地形。
四、结语
本文通过对船载多传感器综合测量系统网络通信、多线程、数据内插等关键技术的研究，最终采用VTK技术实现了点云一体化实时显示。通过海试，证明了船载多传感器测量系统的点云实时显示功能具有非常广泛的实用性和良好的可靠性。其有效地提高了系统的信息挖掘能力和现场决策支持能力，实现了一体化测量，能够满足复杂海岸线及海岛礁地形测量的需要。
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