移動(dòng)測量技術(shù)及其在數(shù)字城市中的應(yīng)用

　　摘要：本文介紹了移動(dòng)測量系統(tǒng)的組成及其基本工作原理，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。扼要介紹了數(shù)字城市建設(shè)與三維數(shù)字地圖的相關(guān)內(nèi)容，就移動(dòng)測量系統(tǒng)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用及其技術(shù)和方法進(jìn)行了探討和研究，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)測量；數(shù)字城市；三維建模；可量測實(shí)景影像
　　
　　0 引言
　　移動(dòng)測量系統(tǒng)是當(dāng)今測繪界最為前沿的科技之一，它是在機(jī)動(dòng)車上裝配GPS、IMU（慣性測量單元）、激光掃描系統(tǒng)、成像系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在高速行進(jìn)中快速采集道路及兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。作為一種全新的地理空間數(shù)據(jù)采集方式，移動(dòng)測量技術(shù)在軍事、勘測、電信、交通管理、道路管理、城市規(guī)劃、堤壩監(jiān)測、電力設(shè)施管理、海事等各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為地理空間數(shù)據(jù)采集的最好解決方案，將在地理空間數(shù)據(jù)采集與更新中發(fā)揮越來越重要的作用。
　　
　　1移動(dòng)測量系統(tǒng)
　　移動(dòng)測量系統(tǒng)是一種多傳感器集成的數(shù)字成圖系統(tǒng)，一般由移動(dòng)載體（車輛）、多傳感器、車載計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成，其工作原理如圖1所示。移動(dòng)測量技術(shù)中的關(guān)鍵系統(tǒng)主要有：
　　1.1 POS系統(tǒng)
　　POS系統(tǒng)是車載移動(dòng)測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它為移動(dòng)測量系統(tǒng)提供高精度的絕對坐標(biāo)和姿態(tài)信息，其精度直接影響了車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體最后精度。
　　一般的POS系統(tǒng)包含了GPS天線及接收機(jī)、IMU和主機(jī)。其中GPS可為系統(tǒng)提供絕對地理坐標(biāo)，IMU可提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)的三維姿態(tài)，而主機(jī)負(fù)責(zé)控制管理硬件與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)后處理過程中，利用動(dòng)態(tài)濾波的算法把兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來，形成一條完整的軌跡。
　　現(xiàn)實(shí)是地面情況復(fù)雜且多樣，GPS在地面容易失鎖，所以地面的POS系統(tǒng)常采用GPS+IMU+DMI三傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在這類系統(tǒng)中，DMI（Digital Measurable Image）可為系統(tǒng)提供系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)（靜止、前進(jìn)或后退）和行駛距離。
　　1.2 激光掃描系統(tǒng)
　　激光傳感器是車載系統(tǒng)中直接獲取地物坐標(biāo)的信息部件。采用激光進(jìn)行測量是目前車載系統(tǒng)的必然趨勢，也是一次跨越式的發(fā)展。首先不會(huì)受到光線條件的影響，可以全天候作業(yè)。其次，激光發(fā)射頻率目前都可以達(dá)到上萬甚至是10萬或20萬次每秒，這也就意味著每秒鐘可以獲得相應(yīng)的地物坐標(biāo)，同時(shí)，地物的細(xì)節(jié)也會(huì)被完整地還原出來。此外，部分傳感器所使用的激光具備一定的穿透能力和多次回波接收能力，這樣可以獲取部分在照片無法獲取的被遮擋住的地物坐標(biāo)。
　　1.3 相機(jī)系統(tǒng)
　　相機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的檢校，帶有相關(guān)的檢校參數(shù)，具備可量測性，其所有像片均帶有GPS坐標(biāo)，可以利用相關(guān)軟件進(jìn)一步進(jìn)行處理。像片中帶有的彩色信息可以給激光點(diǎn)云附上真彩色信息和提供建筑物紋理。特別要提出的是，影像系統(tǒng)可以根據(jù)客戶的需求自行調(diào)整位置和姿態(tài)。另外，影像庫中的影像由于帶有絕對方位元素gqhIYdUQhogwpquoKbuukQ==，因此可以實(shí)現(xiàn)影像中任意地物的絕對測量和相對測量，絕對測量的精度可達(dá)0.5m，相對測量精度達(dá)到厘米級。
　　
　　2三維數(shù)字地圖
　　移動(dòng)測量技術(shù)能快捷制作三維數(shù)字地圖，通過劃分模型單元和管理對象，進(jìn)行平面、高程、結(jié)構(gòu)、紋理等數(shù)字化處理，按照統(tǒng)一坐標(biāo)無縫拼接形成可視化三維數(shù)字模型。三維數(shù)字地圖是“數(shù)字城市”建設(shè)的重要內(nèi)容，涉及計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、全數(shù)字?jǐn)z影測量、GIS、三維建模等多種技術(shù)，并且許多問題還有待于開發(fā)人員解決。
　　
　　3移動(dòng)測量在三維數(shù)字建模中的應(yīng)用
　　三維建模就是重建城市真實(shí)地理環(huán)境，即以真實(shí)的地理空間位置再現(xiàn)城市現(xiàn)狀景觀（包括地形地貌、城市建筑與道路設(shè)施等）。要在計(jì)算機(jī)中模擬現(xiàn)實(shí)世界，就必須建出在多維尺度下外形、光照、質(zhì)感等各方面都與真實(shí)對象相似的對象模型。
　　移動(dòng)測量的激光掃描系統(tǒng)是一種非接觸式主動(dòng)型測量系統(tǒng)，可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)采集，具有點(diǎn)位測量精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快等特點(diǎn)，且融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等三維激光影像數(shù)據(jù)。在運(yùn)動(dòng)中通過激光掃描器和距離傳感器來獲取被測目標(biāo)的表面形態(tài)，經(jīng)由微電腦對測量資料進(jìn)行內(nèi)部微處理，顯示或存儲(chǔ)、輸出距離和角度資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，最后經(jīng)過相應(yīng)系統(tǒng)軟件進(jìn)行一系列處理，獲取目標(biāo)表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。
　　由激光掃描系統(tǒng)獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)量十分龐大，含有大量的冗余信息，如建筑物周圍的樹木、路燈等，需要對其進(jìn)行處理。激光掃描數(shù)據(jù)的處理過程可細(xì)分為數(shù)據(jù)的濾波、糾正、分類和特征提取與建模，采用的處理流程是：
　　（1）從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入原始數(shù)據(jù)，根據(jù)已知參考信息對原始觀測值進(jìn)行概算，將地形數(shù)據(jù)與地物數(shù)據(jù)分離；（2）對地物數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除噪聲和遮擋物（如樹木等）的影響，得到建筑物數(shù)據(jù)；（3）根據(jù)建筑物特征，對連續(xù)掃描的激光測量斷面進(jìn)行整體匹配糾正，得到建筑物特征；（4）根據(jù)糾正信息對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，得到反映建筑物表面幾何特征的三維掃描坐標(biāo)；（5）提取建筑物的高度以至特征線。
　　為了得到建筑物的整體信息，可以利用基于控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法將得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合為一個(gè)整體，然后得到配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后根據(jù)獲取的地形數(shù)據(jù)、建筑物立面和頂部紋理，利用3DMAX軟件實(shí)現(xiàn)多邊形的處理、貼圖、光照以及投影等一系列的建模過程。在恢復(fù)空間模型的同時(shí)，直接進(jìn)行三維空間信息紋理糾正，并獲得紋理信息，建立起建筑物模型。最后，建立基于地面三維測量數(shù)據(jù)的城市環(huán)境與工程建筑物的虛擬現(xiàn)實(shí)表示，并導(dǎo)入到已建好的三維場景中。
　　
　　4結(jié)語
　　移動(dòng)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)際物體的真實(shí)記錄，是目前各種測量方法中最精細(xì)、最快捷地對物體現(xiàn)狀進(jìn)行檔案保存的技術(shù)手段。它包含了對象物體的空間尺寸信息和反射信息，結(jié)合高分辨率的外置數(shù)碼相機(jī)，可以十分逼真地保留物體的紋理色彩信息。使用GPS、全站儀等儀器對測站點(diǎn)進(jìn)行大地控制點(diǎn)聯(lián)測后，掃描數(shù)據(jù)將置入一個(gè)統(tǒng)一的三維空間坐標(biāo)系內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)了“將地球搬回家”的夢想。由移動(dòng)測量技術(shù)獲取的可視、可量測、可挖掘的實(shí)景影像可以達(dá)到厘米級的空間分辨率，在這種實(shí)景的三維數(shù)據(jù)上，可以快速地復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及點(diǎn)、線、面、體等各種已知或未來需要的實(shí)用數(shù)據(jù)。事實(shí)上，包含更多信息的、可高精度量算的近景影像資料是未來GIS所不可或缺的，移動(dòng)測量技術(shù)作為地理空間數(shù)據(jù)采集的最好解決方案，在地理空間數(shù)據(jù)采集與更新中必將發(fā)揮出越來越大的作用。
　　
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