基于多傳感器融合的移動測繪系統(tǒng)應(yīng)用評述

徐 工, 曲國慶, 盧 鑫

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255000；2.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司,山東 招遠 265400)

綜述與評論

基于多傳感器融合的移動測繪系統(tǒng)應(yīng)用評述

徐 工1, 曲國慶1, 盧 鑫2

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255000；2.山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司,山東 招遠 265400)

隨著多傳感器融合技術(shù)的發(fā)展,地面移動測繪系統(tǒng)(TMMS)作為一種多傳感器集成的快速、高效的無地面控制測繪技術(shù),近年來得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。針對該系統(tǒng)的工作原理、應(yīng)用特點等具體研究了TMMS的實際應(yīng)用優(yōu)勢,并通過實例從其數(shù)據(jù)采集的快速高效性、數(shù)據(jù)成果的豐富性及數(shù)據(jù)精度等方面,針對性地分析了TMMS在數(shù)字城市與三維建模中的應(yīng)用。隨著城市信息化的發(fā)展,地面移動測繪技術(shù)將在數(shù)字城市建設(shè)中發(fā)揮巨大的作用。

建模； 數(shù)字城市； 定位定姿系統(tǒng)； 多傳感器融合技術(shù)； 可量測實景影像

0 引 言

地面移動測繪系統(tǒng)(terrestrial mobile mapping system,TMMS)是20世紀90年代興起的一種快速、高效、無地面控制的測繪技術(shù)[1,2]。它是在機動車上集成了GNSS全球定位系統(tǒng)(GPS)、CCD相機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)、激光掃描(laser scanner,LS)系統(tǒng)等多種先進傳感器[1～7],能進行高精度大場景三維數(shù)據(jù)信息采集。隨著CCD,LS等數(shù)字傳感器的快速發(fā)展,多傳感器數(shù)據(jù)融合[8]已經(jīng)成為移動測圖系統(tǒng)設(shè)計、空間數(shù)據(jù)處理中最關(guān)鍵的一步,基于GPS/INS組合的直接地理定位、幾何數(shù)據(jù)融合、時間和空間的配準都是移動測繪系統(tǒng)的基本問題。

目前,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集仍采用RTK和全站儀等作業(yè)方式[4],隨著數(shù)字城市[3]、數(shù)字地球的發(fā)展,對地理空間數(shù)據(jù)的獲取與更新速度提出更高的要求,而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段安全隱患多、作業(yè)效率低,已不能滿足人們對空間信息快速獲取與更新的需要[3,9]。TMMS的產(chǎn)生,很好地解決了這個問題,它作為高精度、高效率的海量三維數(shù)據(jù)采集手段,己在我國100多個數(shù)字城市信息化項目中得到成功應(yīng)用[3,9]。

隨著數(shù)字城市的發(fā)展,街景的三維可視化已成為數(shù)字城市發(fā)展中的一項重要工作,利用TMMS獲取建筑物立面影像數(shù)據(jù)和高密度點云數(shù)據(jù),進行三維重建以實現(xiàn)城市模型的可視化已成為研究的熱點。

1 TMMS的應(yīng)用優(yōu)勢

TMMS的迅速發(fā)展,與高效、實時地獲取和更新地理空間數(shù)據(jù)的需求密切相關(guān),與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取手段相比[9],具有較大優(yōu)勢,表1是TMMS與傳統(tǒng)測圖方式的比較情況。

表1 TMMS與傳統(tǒng)方式的比較Tab 1 Comparison between TMMS and traditional method

2 TMMS系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 TMMS系統(tǒng)在數(shù)字城市與三維建模中的應(yīng)用

隨著TMMS的發(fā)展,其應(yīng)用范圍越來越廣泛,包括公安部門的交通事故勘察與流動違章處理,高速公路修測、監(jiān)控及管理,城市規(guī)劃圖的數(shù)據(jù)采集與更新、城市部件檢查等[3]。其中典型的應(yīng)用有：

1)高速公路測量：TMMS在高速公路測量中能夠進行道路地形圖的測量,可獲取道路周圍地物屬性信息、點位信息及可量測影像,測量操作簡單,降低了作業(yè)成本,提高了工作效率。

2)數(shù)字地形圖的快速采集與更新：TMMS可用于電子地圖的制作、道路狀況、道路設(shè)施等的實時監(jiān)控等方面,能夠迅速地發(fā)現(xiàn)變化,實現(xiàn)對原圖的及時修測[10]。

3)建筑物三維建模：TMMS能夠根據(jù)實際應(yīng)用需求,分別通過影像數(shù)據(jù)或點云數(shù)據(jù)進行城市建(構(gòu))筑物三維重建。

2.2 移動測量精度應(yīng)用分析

TMMS野外采集信息豐富,既有點云數(shù)據(jù),也有影像數(shù)據(jù),成果包括數(shù)字線劃圖(digital line graphic,DLG)、三維模型、街景漫游、可量測實景影像[3,11,12]等,必會在道路、交通、公安,數(shù)字城市各領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。

結(jié)合某移動測繪系統(tǒng)所做的實驗數(shù)據(jù),得到一組車速與點云線間距之間的關(guān)系,如表2所示。

表2 車速與點云線間距之間的關(guān)系Tab 2 Relation between vehicle speed and point cloud line space

由表2可以看出：當車速小于20 km/h時,移動掃描點云線間距在10 cm以內(nèi),可以滿足高速公路1︰1 000比例尺地形圖測繪的精度需求,但此時車速較慢,效率較低；當車速在30～50 km/h之間時,移動掃描間距在20 cm之內(nèi),可以滿足高速公路1︰2 000比例尺數(shù)字地形圖測繪的精度要求。

3 實例分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

實驗段公路長約4 km,為了保證測量效率,移動測量車行駛速度均勻(約30 km/h)。實地踏勘后,設(shè)計行車路線,由2名工作人員半天內(nèi)即完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、DLG和重要建筑物的三維建模共用時約2天；而采用傳統(tǒng)測量方式,則需要3個人花費6天左右時間。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 移動測量精度檢核

對移動測量精度評定,采用GPS RTK結(jié)果與移動掃描點云精度進行比較,檢核結(jié)果如表3所示。

表3 特征點精度檢核Tab 3 Precision test of feature point

3.2.2 數(shù)據(jù)成果

項目可以輸出的數(shù)字成果豐富,實現(xiàn)了數(shù)字地形圖的快速更新,同時可建立目標物的三維實體模型,實現(xiàn)實景影像的量測等。

1)圖1為利用點云數(shù)據(jù)生成的DLG,可滿足1︰2 000甚至更小比例尺帶狀地形圖的繪制；

圖1 DLGFig 1 DLG

2)圖2為通過獲取的目標點云數(shù)據(jù)快速完成的三維實體模型,能夠更直觀地進行成果管理；

3)圖3為在GIS平臺上實現(xiàn)實景影像的量測,可在影像上直接量取地物信息,如長度、面積、點位信息等,實現(xiàn)二、三維的聯(lián)動,提高了數(shù)據(jù)采集和更新的效率,使城市管理更加便捷和真實。

圖2 建筑物三維實體模型Fig 2 Building 3D solid model

圖3 可量測實景影像Fig 3 Measurable scenery image

3.3 建模效果比較

下面是對某建筑物的三維實體重建,掃描時車速約15 km/h,掃描距離在15～25 m之間。圖4是大樓的原始點云數(shù)據(jù),圖5是由車載點云數(shù)據(jù)建立的大樓三維模型效果。

圖4 原始點云Fig 4 Original point cloud

圖5 建筑物三維模型Fig 5 Building 3D model

表4是對模型的幾何體特征與全站儀測量結(jié)果進行的精度比較,取全站儀測量數(shù)據(jù)作為“真值”,通過對窗戶、墻面、裝飾物等對象的長度、面積的比較,對移動掃描點云數(shù)據(jù)所建模型精度進行評價。

表4 模型幾何體特征比較Tab 4 Comparison of model geometry feature

從表4的結(jié)果中可以看出:TMMS模型與全站儀測量所得距離偏差為10～20 cm左右,個別誤差稍小；面積偏差隨著測量對象面積的增大而增加。TMMS建模誤差來源除測量誤差外,點位偏移、點云擬合等都會帶來一定影響,通過進一步優(yōu)化,利用TMMS進行數(shù)字城市三維建模工作是可行的。

4 結(jié)束語

利用TMMS快速采集外業(yè)數(shù)據(jù),一方面,能極大地縮短工期,降低作業(yè)成本,提高數(shù)據(jù)采集和更新的效率,實現(xiàn)外業(yè)采集的一體化；另一方面,將獲取的各傳感器數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算,得到點云和影像數(shù)據(jù),利用點云數(shù)據(jù)制作線劃圖和三維模型,利用全景影像提取紋理,同時能實現(xiàn)可量測實景影像,極大地降低了三維建模和紋理提取的工作量,使成果管理更加豐富直觀,具有多樣性。

目前,TMMS已經(jīng)從實驗室走向市場,在測繪、勘探、交通、公安等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,取得了良好的收益,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Review of application of mobile mapping system based on multi-sensor fusion

XU Gong1, QU Guo-qing1, LU Xin2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;2.Shandong Gold Mining (Linglong)Co Ltd,Zhaoyuan 265400,China)

With the development of multi-sensor fusion technology,terrestrial mobile mapping system(TMMS),as a multi-sensor integration,fast,high efficient non-ground-control surveying technology has recently gained its rapid development and extensive application.Aiming at operation principle and application characteristic,the actual application advantages of TMMS are specifically studied,and the specific application of TMMS in the area of digital city and 3D modeling is also analyzed in detail by example from the aspect of high efficiency of data collection,richness of data results and data precision.With development of city informatization,TMMS technology will play a great role in digital city construction.

modeling; digital city; position orientation system; multi-sensor fusion technology; measurable image

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0001—03

2014—01—20

P 234.4

A

1000—9787(2014)08—0001—03

徐 工(1983-),男,山東萊蕪人,博士,講師,研究方向為數(shù)字城市與三維建模。