多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應(yīng)用研究探索

丁瑩瑩，趙云昌

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南　250013)

多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應(yīng)用研究探索

丁瑩瑩，趙云昌

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南250013)

該文以多種類型的激光掃描系統(tǒng)為研究對(duì)象，綜合利用激光掃描系統(tǒng)在不同尺度下獲取的數(shù)據(jù)，展示城市各個(gè)方面的部件特征，探索出基于四層結(jié)構(gòu)(地形數(shù)據(jù)層、街區(qū)數(shù)據(jù)層、室內(nèi)數(shù)據(jù)層和實(shí)體數(shù)據(jù)層)的數(shù)字城市三維建模解決方案，為多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市綜合應(yīng)用提供研究方向。

激光掃描；數(shù)字城市；三維建模

引文格式：丁瑩瑩，趙云昌.多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應(yīng)用研究探索[J].山東國(guó)土資源，2015,31(4)：83-86.DINGYingying，ZHAOYunchang.StudyonComprehensiveApplicationofVarietyofLaserScanningSystemsinDigitalCity[J].ShandongLandandResources, 2015,31(4):83-86.

0　引言

基礎(chǔ)地理空間信息資源作為國(guó)家信息資源的組成部分之一，承擔(dān)著越來(lái)越重要的作用。激光掃描系統(tǒng)作為新興的地理空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)之一，具有快速、高效、準(zhǔn)實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字地形模型構(gòu)建、城市空間信息獲取、建筑物內(nèi)部以及實(shí)體部件的獲取等方面都展現(xiàn)出了其他技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)各種激光掃描設(shè)備，科研工作者和工程技術(shù)人員開展了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理研究，并獲取了豐碩成果。激光掃描系統(tǒng)可分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)、固定站激光掃描系統(tǒng)和手持激光掃描儀。機(jī)載雷達(dá)掃描系統(tǒng)可針對(duì)大區(qū)域獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取航空影像數(shù)據(jù)；車載激光掃描系統(tǒng)，配備高清晰度的全景相機(jī)，依托城市道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取城區(qū)內(nèi)部的建筑物等空間立面數(shù)據(jù)和城市街景數(shù)據(jù)；固定站激光掃描儀可獲取建筑物內(nèi)部數(shù)據(jù)；手持掃描儀可獲取實(shí)體空間數(shù)據(jù)，各具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)各類激光掃描系統(tǒng)中的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，探索出一套多種激光掃描系統(tǒng)綜合應(yīng)用于數(shù)字城市三維建模的解決方案。

1　多種激光掃描系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

(1)機(jī)載激光掃描系統(tǒng)原理及組成。機(jī)載激光雷達(dá)以飛機(jī)作為設(shè)備搭載的載體，配備高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及高精度動(dòng)態(tài)GPS設(shè)備，在航空飛機(jī)飛行時(shí)對(duì)地面進(jìn)行大范圍數(shù)據(jù)掃描，獲取大面積地形數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)用于確定飛機(jī)飛行的空間位置，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定飛行姿態(tài)，航空飛機(jī)同時(shí)配備航空相機(jī)，獲取地面的航空影像。

(2)車載激光掃描系統(tǒng)原理及組成。車載激光掃描系統(tǒng)以激光掃描技術(shù)為主要技術(shù)核心，配備其他輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)掃描，獲取沿著道路行進(jìn)方向兩側(cè)地物的空間信息及紋理信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取與實(shí)際地物信息一致的城市三維模型，車載激光掃描系統(tǒng)集成了多種傳感器：全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測(cè)量單元(IMU)、激光掃描測(cè)距儀、全景相機(jī)等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、主動(dòng)、完整地獲取和處理三維空間數(shù)據(jù)信息，可以滿足對(duì)車載系統(tǒng)周圍目標(biāo)區(qū)域360°圓周的掃描測(cè)量，獲得全方位的連續(xù)實(shí)景三維數(shù)據(jù)。

(3)地面激光掃描測(cè)量系統(tǒng)原理及組成。地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由3部分組成：掃描儀、控制器和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD和儀器內(nèi)部控制及校正等系統(tǒng)。

(4)手持激光掃描系統(tǒng)原理及應(yīng)用。手持激光掃描系統(tǒng)采用的是激光掃描技術(shù)，但其工作原理與之前幾種激光掃描設(shè)備不太一樣，手持激光掃描設(shè)備通過(guò)掃描控制點(diǎn)進(jìn)行自定義匹配，屬于自定位系統(tǒng)，其他幾種掃描設(shè)備都是指定掃描的實(shí)時(shí)坐標(biāo)基點(diǎn)以及姿態(tài)參數(shù)，解算空間三維點(diǎn)云。手持激光掃描系統(tǒng)配備紋理采集設(shè)備，如需對(duì)三維數(shù)據(jù)建模貼紋理，則需再次拍攝照片，手持設(shè)備輕便靈活，適用于小型區(qū)域、實(shí)體掃描，在精細(xì)測(cè)繪中具有優(yōu)勢(shì)。

2　四層結(jié)構(gòu)在數(shù)字城市建設(shè)中的創(chuàng)新點(diǎn)

該文針對(duì)多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應(yīng)用構(gòu)建了四層結(jié)構(gòu)，主要包括地形數(shù)據(jù)層、街區(qū)數(shù)據(jù)層、室內(nèi)數(shù)據(jù)層、實(shí)體數(shù)據(jù)層。

2.1地形數(shù)據(jù)層

地形數(shù)據(jù)層主要為小比例尺數(shù)據(jù)層，以機(jī)載激光掃描系統(tǒng)和車載激光掃描系統(tǒng)為主，使用兩者的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為空間數(shù)據(jù)，使用機(jī)載航空影像作為紋理數(shù)據(jù)，以金字塔型式進(jìn)行分塊。兩種激光掃描數(shù)據(jù)雖然同為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但由于兩者掃描系統(tǒng)、原理之間的差異，使得兩者掃描數(shù)據(jù)不能按照統(tǒng)一方式、參數(shù)進(jìn)行處理，需分別處理后進(jìn)行融合以獲取最終成果。

2.2街區(qū)數(shù)據(jù)層

街區(qū)數(shù)據(jù)層定義為中比例尺數(shù)據(jù)層，以可量測(cè)街景展現(xiàn)，主要以車載激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)為數(shù)據(jù)源，主要區(qū)域采用車載數(shù)據(jù)，對(duì)于車載數(shù)據(jù)掃描不到的重點(diǎn)區(qū)域采用地面掃描系統(tǒng)進(jìn)行單站掃描。兩者數(shù)據(jù)掃描方式雖然不同，但地面激光掃描數(shù)據(jù)可以作為車載激光掃描數(shù)據(jù)的一個(gè)瞬時(shí)掃描，因此兩者數(shù)據(jù)可進(jìn)行合并處理也可分開處理。兩者同有全景影像，共同作為街景展示。

2.3室內(nèi)數(shù)據(jù)層

室內(nèi)數(shù)據(jù)層主要包含兩個(gè)方面，一是建筑物三維模型層，即利用地面掃描點(diǎn)云及紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物三維建模；二是實(shí)景三維層，利用地面站數(shù)據(jù)制作室內(nèi)全景，流程與街景基本一致。

2.4實(shí)體數(shù)據(jù)層

實(shí)體數(shù)據(jù)層為最內(nèi)部的數(shù)據(jù)層，同時(shí)也是最精細(xì)的數(shù)據(jù)層，針對(duì)個(gè)別重要物體進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪，例如針對(duì)博物館內(nèi)的文物等。實(shí)體數(shù)據(jù)層一般采取手持激光掃描數(shù)據(jù)，也可疊加地面掃描數(shù)據(jù)。

3　激光掃描系統(tǒng)綜合應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

激光掃描系統(tǒng)主要分為空間數(shù)據(jù)以及紋理數(shù)據(jù)，關(guān)于激光掃描系統(tǒng)傳統(tǒng)研究?jī)?nèi)容都以激光點(diǎn)云為主，伴隨各類激光掃描系統(tǒng)升級(jí)，紋理采集設(shè)備相繼加入掃描系統(tǒng)，而其研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少。

3.1DOM金字塔技術(shù)

影像金字塔結(jié)構(gòu)：指在同一的空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，形成分辨率由低到高、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。影像金字塔結(jié)構(gòu)用于圖像編碼和漸進(jìn)式圖像傳輸，是一種典型的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，適合于柵格數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的多分辨率組織，也是一種柵格數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)的有損壓縮方法(圖1)。

圖1　影像金字塔示意圖

3.2全景影像切片技術(shù)

全景切片技術(shù)與影像金字塔原理具有相似之處，可以說(shuō)是金字塔原理在實(shí)景三維中的應(yīng)用。是根據(jù)用戶需要，以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，形成分辨率由低到高、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。全景切片技術(shù)與全景相機(jī)原理有必要聯(lián)系，全景相機(jī)一般由6個(gè)鏡頭組成，側(cè)方向5個(gè)，天頂方向1個(gè)，因此在進(jìn)行切片之前，先將6個(gè)鏡頭圖片拆分開，單獨(dú)進(jìn)行切片，最后整合到一起。全景相機(jī)采取魚眼鏡頭進(jìn)行拍攝，獲取影像為360°全景照片，投影到平面時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重拉伸，如采取傳統(tǒng)的金字塔平面分割構(gòu)建，不能均勻?qū)ζ溥M(jìn)行重采樣，需根據(jù)其原理，按照球面等角進(jìn)行切片重采樣(圖2、圖3、圖4)。

圖2　全景拼接圖片(1級(jí))

圖3　全景拼接圖片全景切片圖(2、3級(jí))

圖4　全景切片分級(jí)顯示(左上角級(jí)別較低)

3.3全景量測(cè)技術(shù)

實(shí)景三維可量測(cè)技術(shù)，主要通過(guò)深度圖實(shí)現(xiàn)，對(duì)每一個(gè)全景站點(diǎn)進(jìn)行處理，分別制作全景切片與深度圖，全景數(shù)據(jù)供前臺(tái)顯示，量測(cè)功能采用深度圖。

(1)深度圖：定義指定半徑球，球心為全景相片拍攝瞬間空間位置，對(duì)球面進(jìn)行網(wǎng)格化分，以指定角度分辨率進(jìn)行分割，例如0.1°，形成3600×1800的球面網(wǎng)格，計(jì)算每一個(gè)投影點(diǎn)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格，以點(diǎn)到球心距離為像素值，對(duì)指定區(qū)域點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算，形成深度圖(圖5)。

圖5　全景相片

(2)全景視圖：全景拍攝時(shí)并非固定不動(dòng)，而是具有瞬時(shí)姿態(tài)信息，除去空間位置信息外還有3個(gè)姿態(tài)角信息，全景顯視時(shí)利用這3個(gè)角度進(jìn)行變換，使得全景相片與拍攝時(shí)一致，從而使地物方位正確(圖6)。

圖6　全景深度圖

(3)空間匹配：全景相片與深度圖匹配關(guān)鍵在于攝影瞬間的空間姿態(tài)，通過(guò)攝影時(shí)空間姿態(tài)將全景相片調(diào)整到正確位置，并與深度圖進(jìn)行套和，兩者具有統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，即以攝影中心為原點(diǎn)，以正北方向?yàn)閄軸，與X軸垂直方向?yàn)閅軸，Z軸向上。

全景相片與深度圖進(jìn)行配準(zhǔn)之后，即形成以坐標(biāo)系統(tǒng)Z軸為旋轉(zhuǎn)軸的全景可視視角，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整全景相片位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)參數(shù)確定深度圖方位，使得二者實(shí)時(shí)統(tǒng)一，可進(jìn)行全景視圖動(dòng)態(tài)量測(cè)。

4　多種激光綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)中利用數(shù)據(jù)為山東省國(guó)土測(cè)繪院購(gòu)置的移動(dòng)測(cè)量掃描系統(tǒng)以及機(jī)載LIDAR系統(tǒng)，配備航空相機(jī)，地面激光掃描設(shè)備以及手持掃描設(shè)備為武漢某科研單位配合提供。針對(duì)萊蕪市全區(qū)域地形以及城市空間信息以及紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，針對(duì)重點(diǎn)建筑物進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)以及實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(圖7—圖10)。

圖7　城市機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)

圖8　城市三維模型

5　結(jié)語(yǔ)

該文以山東某地區(qū)為例，分別獲取多種激光掃描數(shù)據(jù)，利用該文中提出的解決方案進(jìn)行處理，并在平臺(tái)進(jìn)行展示應(yīng)用，獲得良好成果產(chǎn)品，驗(yàn)證了該文提出的綜合應(yīng)用方案的可行性。

圖9　城區(qū)車載激光掃描街景展示

圖10　室內(nèi)街景展示

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StudyonComprehensiveApplicationofVarietyofLaserScanningSystemsinDigitalCity

DINGYingying，ZHAOYunchang

(ShandongSurveyingandMappingInstituteofLandandResources,ShandongJinan250013,China)

Takingvarietyoflaserscanningsystemsasthestudyobjects,byusingdatasgainedindifferentscales,componentcharacteristicsofvariousaspectsofthecityhavebeendisplayed, 3Dmodelingsolvingschemeofdigitalcityhasbeenexploredbasedonfourlayerstructure(theterraindatalayer,datalayer,datalayerblockinteriorandsoliddatalayer) .Itwillprovidearesearchdirectionforavarietyoflaserscanningsystemincomprehensiveapplicationofcigitalcity.

Laserscanning;digitalcity;three-dimensionmodeling

2015-01-30；

2015-03-14；編輯：曹麗麗

丁瑩瑩(1982— )，山東濰坊人，工程師，主要從事測(cè)繪、遙感、地理信息等方面工作；E-mail：71159950@qq.com

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