IP-S2車載激光掃描系統對全景影像數據的采集與處理方法

□成功

（山西省基礎地理信息院，山西太原030001）

IP-S2車載激光掃描系統對全景影像數據的采集與處理方法

□成功

（山西省基礎地理信息院，山西太原030001）

本文主要介紹了IP-S2車載激光掃描系統的構成，以及運用該系統獲取城市全景影像數據的原理。通過對系統操作流程的詳細說明，闡明采集和處理全景影像數據的方法。在對數據的后處理過程中，結合同步獲取的坐標點云數據處理方法，很好地將全景影像數據與基礎地理信息數據相結合，為城市的發展和地理信息數據的運用提供了一種快速有效的應用途徑。

IP-S2；車載激光掃描；全景影像；點云

1.IP-S2車載激光掃描系統簡介

IP-S2車載激光掃描系統是一種與時間同步并且集成了雙頻GPS/GLONASS接收機（內置于IP-S2主機）、IMU（慣性測量單元）、激光掃描器、車輪編碼器、全景數碼相機等各種傳感儀器的系統。是建設城市基礎地理信息系統及其實時快速更新的現代化設備系統，也是其他具備汽車通行條件附近進行三維測量和建模的高新設備[1]。

運用IP-S2激光掃描儀獲取的全景影像數據是由頂部的六臺環繞式照相機同步采集所得，采集照片像素、清晰度、曝光度可以根據天氣、采光等因素自行調節，以確保照片質量的清晰。全景照片數據也是帶有坐標信息的數據，經過數據后處理階段所生成的照片信息文件同時帶有轉換后的坐標位置數據，可以與實際的道路位置匹配，有了這些坐標信息，就可以將照片和行車路徑統一在一個平臺下進行街景漫游。同時，6臺廣角照相機所拍攝的即時照片有多種瀏覽方式和存儲方式，同一時間點位上拍攝的照片可以形成全景照片形式，也可以形成單個方向的獨立照片，這就對后期應用提供了很大的方便[2]。

2.全景影像數據的采集方法

2.1 設備安裝與參數設置

使用IP-S2車載激光掃描系統進行原數據的采集，需要的主要硬件設備：IP-S2激光掃描儀；作業車輛；GPS接受儀GR-3；腳架以及外業已知控制點；主要軟件設備：GEOCLEAN；WORKSTATION[3]。

2.1.1 安裝IP-S2激光掃描儀到作業車輛頂部

長期非作業狀態下，IP-S2主機是放在一個設備專用箱內存放，該主機毛重50KG，凈重35KG。在地面做好主設備的底座的鏈接加固后，再安裝至車輛頂部，用專用螺絲進行加固。

2.1.2 連接纜線

纜線連接包括：電源電纜、天線電纜、數據接收電纜和輪式編碼器電纜，與對應的主機端口進行連接。

2.1.3 參數設置

整個數據獲取過程是由系統配置的筆記本電腦控制完成的，對筆記本電腦控制的軟件運行環境、各要素參數都要進行設置，主要包括：掃描儀精度設置、掃描距離設置、掃描間距設置、相機曝光度設置、相機對比度設置和相片分辨率的設置[4]。

對激光掃描儀和廣角鏡頭照相機各參數設置完成并運行正常后，方可進行動態掃描和全景照片數據采集。

2.2 數據采集

數據采集過程可以分為彩色全景影像數據采集（一個含6臺廣角鏡頭照相機的相機組，即環繞四周5臺，1臺面向天頂）和點云掃描數據采集（一個含3臺激光掃描儀的掃描儀組，即左右各一臺垂直掃描儀，一臺面向后方的水平掃描儀）。兩種數據采集可固定完成，也可以關閉其中一種，只采集另一種數據。掃描行車速度要控制在30—40km/h，以保證掃描數據的精度和密度，同時保證全景照片的清晰度，避免照片拉絲。整個掃描過程需在道路邊線和道路中心線行駛，可短暫停車，停車時數據接收暫停，車輛啟動后仍可繼續搜集掃描數據。掃描單段數據結束后，對數據文檔進行編號和存檔，以便數據的后處理。

第1階段

第2階段

第3階段

第4階段

3.全景影像的數據處理

利用IP-S2車載激光掃描系統進行外業掃描作業，對掃描數據進行后續處理，得到的數據有兩種形式：一種是全景照片流，另一種是帶有坐標信息的高精度三維點云數據。然后運用軟件對影像進行姿態信息的提取，得到全景數碼照片及相匹配的坐標文件，具體操作流程如下：

后處理使用的原始數據主要是數據獲取采集階段形成的IPS-INFO.JSON、IPSJOB.JSON、RAW.ZPS、RAW.PRE.ZPS四個文件。該設備系統的后處理過程包括如下內容：

3.1 GNSS+IMU解析

所謂GNSS+IMU解析就是綜合固定基站，作業車輛移動的GPS天線按一定時間接收的WGS-84空間大地坐標和慣性導航姿態及位置參數的綜合處理過程。其運行時WORKSTATION APP通過設備配置的綜合處理軟件的解析計算，最后形成文件，即POSES.IPZ POSES.KML和GPS.KML。

*.KML文件是可以在GOOGLE EARTH上安裝使用的，進行有關檢測形成路線情況的。GPS.KML是綜合解析處理之前的位置信息文件。POSS.KML和POSES.IPZ是經過綜合解析后的位置信息，可用于GOOGLE EARTH顯示和純二進制結果的文件。這些結果將作為全景照片的位置信息和其他處理參數使用。

3.2 全景照片的影像匹配

在確定了照片的匹配分辨率和算法之后，通過該處理可以將6臺相機同步拍攝的6張照片嚴密鑲嵌拼接為一張全景照片并進行壓縮儲存，形成LB-PICS.IPS照片二進制文件。

3.3 掃描點云數據的處理

在進行必要的預先設置（如：坐標系統、經處理后的點云數據、輸出文件格式確認、掃描型號）后，即可開始處理，最后將處理點云結果儲存在規定的輸出文件名中。

其基本內容為X、Y、Z、I、R、G、B，若非彩色點云，RGB值均為128。

3.4 使用坐標轉換軟件進行相應的坐標轉換

在軟件開始執行前要進行必要的參數輸入，經核準確認后方可執行。如果形成的轉換數據文件過大，為防止受容量限制不能正常運行，可以將數據進行分塊，分塊數據按規定文件名稱格式取名（不能隨意取名）。點云數據中若有RGB彩色信息則要選中相應的選擇框。最后形成的數據文件名為后綴CL3且與數據文件同名的文件。

3.5 點云數據的屏幕顯示

這種顯示是通過IMAGE MASTER軟件實現的，其顯示的文件為通過坐標軟件處理后的CL3文件。顯示結果可為RGB也可為全色。

3.6 對掃描儀的精度檢測

進行精度檢測使用的軟件也是IMAGE MASTER，選定至少兩個已測出其相應坐標系的坐標值并以文本形式輸入其文件中。再通過點擊點云畫面的相應點并進行畫面檢測。啟動執行軟件，最后會有相應的三維坐標值，及其分量差、平距差、斜距差等顯示出來。如有多個點則可分別兩兩成對檢測。此步可分別選擇后、左、右三個掃描儀掃描范圍內的點對其分別進行精度檢測。

3.7 對后、左、右三臺掃描儀垂直方向坐標系統一致性的檢測

在讀入三臺掃描儀經過坐標轉換軟件將原始數據的坐標轉換成等于直角坐標系坐標數據后，通過IMAGE MASTER顯示右、后掃描儀掃描數據，用鼠標分別選中后、右掃描數據點，分別讀取其DZ值，若小于10厘米則符合要求。

經過IP-S2相關軟件處理后的點云數據，可精確地給地物（建筑物、公路、建工設施等）進行定位并清晰立體的展現地物的形狀及結構，在專業軟件下可量測建筑物等實物的實際尺寸和高度，為地物的成形起到了決定性的作用。

4.全景影像數據的廣泛應用

全景影像數據的應用極其廣泛，主要應用于以下幾個方面[5][6][7]：

4.1 高速、便捷完成對街景立體影像的采集，并建立影像庫，每一站點均提供六副影像，保證無死角，可以從任意角度查看周圍情況。

4.2 實現直接從影像上讀取點坐標，精度達到毫米級，通過我們的照相機矢量技術可直接生成三維點坐標，并可通過軟件內部自動在影像上添加特征點坐標，方便查看。

4.3 實現城市道路兩旁資產管理，包括沿街部件，店面招牌、廣告牌、建筑立面等，可直接量測距離和長度。

4.4 對海量影像數據進行瀏覽、查詢、（部件）標注、測量、并能將影像上的部件和部件數據庫相關內容鏈接，同步顯示屬性信息。

4.5 可直接在影像上進行數字化操作，方便三維數據管理。

4.6 可根據需要，在影像圖上直接添加三維標準，如路燈、樹木等。

4.7 實現二、三維聯動操作，在影像上點取某點，二維平面圖同步顯示點位，支持拓撲關系的建立。

4.8 根據需要在三維影像上，添加網格，便于距離和高度的量測。

【1】李德仁.移動測量技術及其應用[J].地理空間信息，2006，4（4）:1-5.

【2】徐占華，朱圣,龍川.車載移動測量系統分類及關鍵技術探討[J].科技資訊,2013（11）: 48-49.

【3】易延光，黃洪彬.車載移動測量系統的構成與應用[J].黑龍江水利科技，2011，39（3）: 284-285.

【4】張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢:武漢大學出版社.2007.

【5】徐進軍，張民偉.地面三維激光掃描儀:現狀與發展[J].測繪通報，2007（l）:47-50.

【6】趙光俊，謝偉光.移動實景測圖系統在三維數字電網構建中的應用[J].地礦測繪, 2013,29（3）:16-19.

【7】何昌清，李趙，劉東麗，李勝.車載移動測量系統在城市部件調查中的應用[J].測繪, 2013,36（5）:216-217.

P204

B

2095-7319（2014）06-0086-04

成功（1981—），男，山西省長治人，工程師，碩士，主要從事地理信息系統的應用開發與數字城市項目建設等工作。