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移动测量的普及只是时间问题——访首都师范大学地球空间信息科学与技术国际化示范学院教授 钟若飞
 
 
2017-03-30 19:56 编辑:采访 / 任佳良 浏览量:3697人
 
 

 
 

20世纪90年代,移动测量出现,地信界多了一种全新的技术。现在,这项技术作为测绘3.0时代的代表,将成为中国走向信息化测绘的主动能。

 

早在几年前,中国就曾短暂地出现了移动测量的热潮。但那一股热风似乎模糊了地信界这场技术革新的本来面目。这一年,移动测量技术的旋风重新刮起,比以往更强劲,也更脚踏实地。因为这一次,大家都选择直面行业的现实问题及背后的技术症结。


新技术发展推动“移动测量”的定义不断更新

 

国外移动测量最早起步于加拿大卡尔加里大学,就是使用摄影测量的原理应用于地面车载移动测量。国内,最早使用摄影测量方式进行移动测量的装备,是在李德仁院士推动下由武汉立得企业推出的基于双目相机的车载道路测量产品。

 

但要注意的是,“移动测量”根据作业原理不同,分为了两类,一类是以摄影测量原理为基础,以CCD相机、IMU(惯性测量单元)、GNSS、DMI(里程计)为传感器的移动测量系统;另外一类是以激光扫描测量技术为基础,以激光扫描仪、GNSS、IMU、DMI、CCD相机为传感器的移动测量系统。

 

首都师范大学地球空间信息科学与技术国际化示范学院教授钟若飞说明道:“后者的成像传感器以激光为主,相对相机激光测距属于主动测量,另外强调由POS提供位置和姿态来进行直接解算,摆脱了传统测绘需要地面控制点的方式,也称为无控制测量。因此,移动测量的定义也不仅仅局限于地面,还包括其它可移动平台上通过POS提供的位置和姿态解算的系统,如机载激光雷达。”

 

在国内,最早使用激光扫描方式进行移动测量是在刘先林院士推动下由首都师范大学在2009年推出的完全国产化的车载移动激光扫描系统。后续,国内一些高校和企业也陆续研发出激光扫描系统进行道路测量。

 

2006年,李德仁院士在他的一篇期刊论文中提到,移动测量系统是在机动车上装配全球定位系统、视频系统、惯性导航系统或航位推算系统等先进的传感器和设备,在车辆的高速行进之中快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据。

 

“对,以前的移动测量默认仅仅是指车载,机载的航空摄影测量出现在上世纪30年代,比移动测量早多了。但是自从激光雷达(LIDAR)也在飞机上用了,移动测量也包括机载的了”,钟若飞教授说,“这里要把机载的LIDAR和机载的航空摄影区分开发,机载的LIDAR一定是加了POS,指的是无控制测量,而传统的航空摄影测量不包括POS,是需要地面大量布设控制点的。但是现在的新趋势是航空竖直摄影和倾斜摄影也会带POS,用于减少控制点,加快解算速度。所以只能说移动测量属于无控制测量,但并非无控制测量就是移动测量。”

 

因此,钟若飞教授定义目前大家普遍认可的“移动激光测量”为:一种基于移动载体的影像和激光点云数据采集系统。在移动载体行进过程中获取精确的地理编码影像和激光点云数据,安全高效,数据精度高,其中CCD相机获取作业环境的可视化影像(包括全景或者航空相机),激光传感器获取XYZ坐标值和强度值,由GPS/GNSS、IMU组成的POS系统提供精确的位置和姿态,处理App同步融合所有传感器数据。钟教授进一步说明道:“移动测量的应用领域包括:公路、铁路、桥梁、建筑物、海岸线等测量、道路资产调查、部件测量、快速灾害应急制图、体积计算(矿山、滑坡)、电力线巡线等。”


移动测量技术还在迅猛发展

 

相比较其他的测绘地理信息技术,移动测量绝对算是行业科技领域的“小鲜肉”,近几年,它俨然就像高颜值的小明星,吸睛无数。但它还处于“身体发育期”,在几个方向迅猛地发展。

 

“其中,地面移动测量正由室外往室内发展,空中移动测量正由有人机向无人机发展,”钟若飞教授先容。

 

当前主流的移动测量系统使用的是GPS-IMU组合导航方法,只能在GPS短时间失锁的情况下依靠高精度的IMU进行定位,而对长时间无GPS信号的室内定位则无能为力,因此这一类的移动测量系统只能用于室外测量。钟教授先容:“对于室内外一体化测量,目前国际上还没有成熟的解决方案,但对于单纯的室内定位,在机器人学的研究过程中已经拥有了相当成熟的理论以及技术,那就是SLAM(即时定位与地图构建)。因此,将SLAM技术应用到移动测量系统中成为了目前国际上室内移动测量研究的热点。”

 

随着无人机飞行器的升级和激光传感器的小型化,无人机激光测量系统逐步面世。它以无人机为搭载平台,主要由激光扫描仪、IMU、GPS、高分辨率航拍数码相机等组成。“与有人机平台相比,无人机搭载设备重量受限,因此传感器选型也相应受到限制。但是无人机机载激光系统巡视效率高、直观、准确,适用范围广,灵活性强,用于安全监测可及时发现隐患,减少经济损失,具有成本低、操作简单、数据精度高等特点,”钟教授说。目前已有无人机载激光雷达系统成功应用于电力行业,通过无人机沿电力线飞行实现快速电力线巡检、通道测量和线路杆塔的倾斜程度检测等。未来随着无人机载荷的增加、激光传感器的微型化发展,无人机载激光系统能更多地应用于电力行业、公路勘察设计、灾害监测和环境监测等方面。

 

此外,钟教授还先容:对移动测量里面的核心部件激光传感器来说,一种是随无人驾驶的发展朝低成本方向发展,如美国Velodyne的16线激光,公开售价是7999美金,后期量产号称可以降低到几百美金;一种是向更高的点云密度、提升作业效率发展,如目前美国已经在使用的盖革模式激光雷达,在近5000米的高空点云密度可以达到每平方米20个点,而传统的机载激光雷达飞2000多米的高度,点密度每平方米才2个点左右,这种极高的点密度将会大大提高作业效率,甚至改变现有的作业模式。


时间会让真正有需要的行业和用户沉淀下来

 

搭乘目前国内科技领域投资的几大热点——无人驾驶、虚拟现实、室内定位、无人机的东风,移动测量技术正在打开新的天地。

 

“无人驾驶、虚拟现实、室内定位、无人机都是上百亿的市场,移动测量假如占里面的十分之一,也是几十亿的市场”,钟教授说,“移动测量为无人驾驶提供市场前景极广的驾驶地图;移动测量为虚拟现实和增强现实提供大范围的三维场景建模;室内移动测量为室内定位提供必需的但目前正是空白的室内地图;越来越轻、成本越来越低的激光传感器搭载在无人机上,做全天时的测绘。”

 

反观移动测量目前的普及应用状况,个中必定存在着痛点和难点。

 

“前几年我主要觉得商家推得太急了,想把移动测量系统打造得无所不能,”钟教授说,“它就是一种测量工具,有优点自然也就有缺点,它的缺点就是GPS会失锁,激光装在车上,扫描视角有局限,是侧视,不是像机载一样顶视,遮挡比较利害。所以你会发现机载激光雷达设备要比车载的发展得早,发展得更完善,只是机载设备受成本限制,不易推广。”

 

如今机会来了,目前机载成本越来越低,激光、惯导、无人机、包括空域的申请,都在降低成本。今晚开什么特马“征图”的机载移动测量系统SZT-V100成为主推产品之一,此外还有车载机载一体化移动测量系统SZT-R1000。“大家应该还车载本来的面目,不要什么都寄希翼于让车载搞定,让车载做适合自己做的事情,比如做驾驶地图,这个非车载莫属”,钟教授说,“以前买车载设备用不起来的原因,就是有些商家夸大宣传,名不副实,比如卖得较多的日本某进口产品,测量距离只有80米,很多时候40米不到,惯导的零漂是24度/小时,大家现在的都是0.01度,所以很多情况都不一样了。”

 

按照国家测绘地理信息局试行的移动测量行业标准,至少购买两套移动激光测量车才能获得甲级移动测量资质,至少一套才能获得乙级资质。对此,钟教授表示:“实际上大部分单位还是得看实际需求,不是说看这个标准。少部分这样的单位会为了资质而买一个放在那。但另一方面,车载确实并不是适合所有单位,要有这方面业务才行。后续,应该走定制化的路线,尽量去适应用户的业务。”

 

钟教授也表示:“移动测量技术能否推广普及,痛点和难点永远在于数据采集和处理的效率。未来的技术发展肯定是实现无人化——无人干预的采集和数据处理过程,以及和多源的传感器融合,包括红外、高光谱、SAR等,并在一定程度上实现实时在线处理。”

 

现在看来,一切只是时间问题。移动测量只是获取数据的一种手段,数据要产生价值,最终还需要和行业部门结合,每个行业的复杂程度不一样,所以这种结合有难有易。“产业化的道路从来不是一帆风顺,目前在我看来,移动测量的市场有点平淡也是很正常,时间会让一些真正有需要的行业和用户沉淀下来。”


三年以内成本降至30万元

 

不可否认,如果不算上卫星的话,移动测量系统称得上是最贵的测绘地理信息装备。对此,钟教授说:“差不多,没有别的设备像它集成了如此多的部件,激光、惯导还都是比较昂贵的部件。”他透露:“大家现在有些型号产品可以实现成本降到40万元左右。”

 

就在本文撰写期间,一篇题为《GOOGLE围剿自动驾驶:凭什么干掉激光雷达九成成本?》的文章占据了各大科技类网站的显著位置。文中提到:“GOOGLE自动驾驶企业Waymo CEO Krafcik(克拉福克西)在底特律北美国际汽车展前夕宣布,其自动驾驶系统中的关键组件——激光雷达的成本相对于项目开始之时,已经下降了百分之九十,从超过7万美金直落至7500美金。”钟教授告诉本刊:“GOOGLE说的还是比Velodyne16线激光更高一级的产品。如果Velodyne16线激光真的能到宣传的几百美金价格,那大家的移动测量系统成本是有可能降到30万元以内的,甚至更低。我觉得三年以内问题不大。”

 

目前,高精度测绘用GPS板卡的价格是5至6万元,高精密MEMS的惯导的价格是10多万元,“这些估计只要关键技术有突破,后面成本都会快速降低。”


钟若飞:

 

博士,现为首都师范大学教授。1998年本科毕业于武汉测绘科技大学摄影测量与遥感专业;2002年获得武汉大学测绘遥感与信息工程国家重点实验室硕士学位,导师为朱庆教授;2005年7月获得中国科学院遥感应用研究所“地图学与地理信息系统专业”博士学位,导师为中科院院士郭华东。2005年首都师范大学任职以来,主要进行了多传感器集成的三维信息获取的研究,为北京市科技新星、全国激光雷达专业委员会委员、北京测绘学会十二届理事、广东省科技特派员。曾获军队科技进步二等奖、2012年测绘科技进步一等奖、2015年测绘科技进步一等奖、2016年地理信息科技进步一等奖。

 

 

 
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