无人机载激光线扫描浅滩三维成像研究

吴俣昊,崔子浩,2,高 阳,王 畅,曲思锦,田兆硕,2

(1.哈尔滨工业大学信息光电子研究所,山东 威海 264209；2.山东船舶技术研究院,山东 威海 264209)

1 引 言

随着海洋资源开发的持续发展,海洋探测成为人类认知海洋的有效手段。目前海洋探测技术主要有声纳探测技术,双目视觉技术,激光雷达探测技术与结构光探测技术。在近海浅水区域,时变的复杂海底环境,潮汐的往复,河口的对流冲刷加大了水下探测的难度,在探测时传统探测方法存在环境限制,体积大,成本高,灵活性差等问题,线激光扫描作为一种成熟的主动结构光探测技术[1-3],具有成本低,测量精度高,非接触等优点[4-5],已被大量应用于水下探测[6-8]。多旋翼无人机以其优良的机动性与灵活性,搭载探测系统[9],在较多礁石与海草的浅水区域,可代替传统水下载体,实现快速水下扫描。无人机搭载线激光扫描系统,可在近海浅水环境复杂区域灵活作业并实现快速精确的三维重构。

2 浅海目标成像原理

浅海目标主要可分为海面上目标、海面、海面下目标三类。在成像过程中,激光经过空气和海水的分界面,光线偏离原始方向,并且海面上目标、海面、海面下目标同时成像,不同的目标需要不同的解算。因此需要建立系统模型,并针对目标特点进行激光条纹的提取。

2.1 系统模型与三维坐标解算

水下测量系统模型如图1所示:激光经水面折射照射到水下物体,再次折射入相机,其中相机采用针孔成像模型,假设相机光轴垂直于水面,在相机坐标系OXYZ下,建立相机从二维到三维的投影关系,以及水上激光与水下激光的折射关系,并求出水下物体在相机坐标系下的三维坐标。

图1 线激光水下折射模型

激光成像点在激光图片上的二维图像坐标为(U,V),根据针孔模型,对应的三维相机坐标系齐次坐标点p(u,v,1) 有转换关系:

(1)

激光成像点在相机齐次坐标下的坐标为p(u,v,1)可得到角度:

(2)

(3)

若物体在水面下,相机坐标系坐标原点据水面高度H,水面上的投影点P′(x′,y′,z′),入射进相机的激光光线与水面法线夹角α,根据相机投影模型有:

x′=uHy′=vH

(4)

目标物体在水下,假设激光面与水面夹角为θ,对应的水下光线与水面法线夹角为γ,入射出水面的激光光线水面法线夹角为β,空气折射率na,海水折射率nw,根据折射定律得到:

(5)

并且得到直线PP′ 方程为:

(6)

激光器发出的激光光面经过水面折射后的光不是一个平面,为了更好地进行计算,光面可近似为一个平面:

(Acosγ)x+(Bcosγ)y-(Asinγ)Z+M=0

(7)

式中，M=CHcosγ+Dcosγ+AHsinγ

联立式(6)和式(7)可得:

(8)

式中,N=(Bsinφ-Acosφ)tanβcosγ,式(8)得到了水下目标点P(x,y,z)的三维坐标。

2.2 激光条纹提取

采用OpenCV对采集的激光图像进行激光条纹提取,提取分为水上,水面,水下激光条纹提取。

激光照射到水上物体上时强度较高,激光照射到水面与水下物体时强度略低,并且激光在水下的后向散射强度比水面的强度低并且逐深度下降,水下激光根据物体深浅以及物体表面反射率强度不一,但相比与水下的后向散射的强度要高。激光条纹提取图像处理算法流程如图2所示。为提取不同位置的激光条纹,首先对原始激光图像进行畸变矫正以保证之后水面直线的提取,然后进行高斯滤波与阈值分割,并根据连通域大小去除图像上的孤噪点,根据强度阈值提取强度较高的水上与水下激光条纹,并采用中值法进行条纹中心的提取,再利用Sobel算子求图像横向梯度找出水面升梯度位置,利用霍夫变换剔除直线外噪点并根据最小二乘法拟合直线得到水面位置,根据直线位置分辨水上和水下物体的条纹,最后根据梯度图像找到水下较弱的激光位置,并利用极值法提取水下较弱的激光条纹中心。

图2 激光条纹提取图像处理算法流程图

3 成像系统设计

无人机载激光雷达三维成像系统的硬件可分为无人机载硬件部分和地面硬件部分,其中无人机载线扫描部分包括激光器、强度CCD、微型电脑、IMU、RTK-GPS移动站与接收电台、路由器、无线放大器等。地面站部分有地面电脑控制端、RTK-GPS基准站与发送电台、无线接收机等部分。无人机载部分和地面站部分通过无线和电台进行数据传输。

无人机载激光雷达三维成像系统的软件分为无人机载电脑软件和地面电脑软件,无人机载电脑软件主要承担数据的采集,预处理,数据保存部分,基于LABVIEW平台硬件采集和控制仪器方便的特点,开发基于LABVIEW平台的无人机载系统软件,软件包括激光强度图像采集、IMU数据采集、RTK-GPS数据采集,以及激光条纹提取和数据保存模块。地面电脑可通过同一局域网下远程连接控制无人机载电脑软件运行。

图3 系统硬件构成

地面电脑主要承担数据下载,数据解算,点云处理显示等部分,基于PCL点云库、QT框架设计雷达点云处理显示软件,软件包括数据下载,水下激光条纹中心提取,点云解算,点云处理和点云显示模块。

设计的无人机三维成像系统如图4所示,采用大疆飞控的六旋翼无人机,挂载1.5 m碳纤维圆杆,连接杆两边分别安装大恒水星CCD和安装柱透镜的1 W、520 nm半导体激光器,并且IMU安装于CCD上方,RTK-GPS天线安装于无人机上方,微型电脑、无线路由、GPS电台、供电电源等安装于无人机起落架上。

图4 无人机载三维成像系统实物图

无人机按照航迹飞行时,线扫描系统开始进行扫描,地面电脑通过远程桌面控制无人机载电脑软件运行,无人机载电脑软件采集处理并保存数据,保存的数据包括IMU数据,RTK-GPS数据,激光条纹数据与原始激光图像,其中激光条纹数据经过极值法进行实时提取,提取原始激光图像激光像素位置信息与强度信息,省去无用数据量占据的空间,进而提高与地面系统之间的数据传输速率。机载系统软件可以单独运行,保存的数据保存在机载电脑上,防止信号不好的时候丢失数据。地面系统软件通过局域网获取机载电脑的数据文件,传输下来进行处理解算,并在QT界面里通过PCL点云库VTK引擎控件显示出来。

4 实验结果与分析

利用研制的无人机载激光雷达三维成像系统,在靠近海岸的浅水区域进行水下扫描实验,实验前完成相机参数和光面参数的标定。水下扫描实验,无人机的扫描区域与方向如图5所示,无人机飞行高度10 m,飞行速度为1 m/s,对水上和水下2 m内的目标,进行三维扫描,扫描区域有水上与水下物体,包括露出水面的石头与水下海草,水下礁石和水上礁石。

图5 水下扫描成像目标区域

飞行扫描获得的一张原始激光图像,截取的激光区域如图所示,可以看到水面上物体的强度较高,激光从水面照射到水下在图像上可以看到明显的强度上升,图像中间部分强度较上下两边高,并且水下散射强度随水深逐渐降低,最后打在水下物体上,有比后向散射强的激光条纹,并且强度上升后迅速下降。经过图像处理以及激光条纹中心提取,提取结果如图6所示,其中图像中的直线为提取的水面激光条纹,直线左边的条纹为提取的水上物体激光条纹中心,直线右边的条纹为水下物体的激光条纹中心。

图6 激光条纹提取结果

利用激光条纹中心提取的结果,以及采集的GPS与IMU数据,软件根据相应的解算模型进行解算,得到扫描点云,赋予点云高程颜色并在QT界面显示,显示的点云如图7所示。扫描得到的点云平均距离分辨率为3 cm,在扫描方向分辨率为3 cm,垂直扫描方向分辨率高于1 cm。并且根据点云高程图像可以清楚的分辨水上露出的石头,水下的海草和水上与水下的礁石。

图7 点云显示效果图

5 结 论

基于三角法线扫描原理,设计了一套无人机载激光雷达三维成像系统,提出了水上、水面与水下激光条纹提取的图像处理方法并构建了线激光水下折射三维坐标解算模型。利用研制的系统在近海的浅水区域进行扫描,对水上和水下2 m内的目标进行了成像实验,扫描点云平均距离分辨率3 cm,扫描方向分辨率3 cm,垂直扫描方向分辨率高于1 cm,并且达到300 m2/min的扫描速度,且在近海浅水区域有很好的水下成像效果。该系统具有高精度、低成本、灵活方便,高效的优势。无人机载线线激光扫描方式适用于近海浅水,城市废墟等复杂环境下的快速三维重构,在浅海探测,森林普查等具有重要的应用价值。