基于三維激光點(diǎn)云在城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)制作的應(yīng)用

陳堅(jiān)+韓飛

摘要：本文目的根據(jù)三維點(diǎn)云技術(shù)在不同行業(yè)的適用性，主要介紹機(jī)載三維點(diǎn)云掃描技術(shù)在城市大范圍三維實(shí)景數(shù)據(jù)制作中的作用。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Microstation+TerraSolid軟件構(gòu)建具有真實(shí)尺寸的地形數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：三維激光點(diǎn)云；機(jī)載LiDAR；城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)

1.引言

三維激光掃描技術(shù)是指生產(chǎn)點(diǎn)云來表示三維激光掃描儀，依靠三維激光掃描系統(tǒng)的技術(shù)是近年來開發(fā)的。它在一些國(guó)家和領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用。

它是集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取的手段與工具，這一技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平，而在國(guó)內(nèi)目前也逐漸的發(fā)展起來了。

2.機(jī)載三維點(diǎn)云掃描

機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)是一種機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，其安裝在飛機(jī)上。它可以測(cè)量地面物體的三維坐標(biāo)。機(jī)載上的激光雷達(dá)它是一種系統(tǒng)、主動(dòng)的觀測(cè)系統(tǒng)。這是一個(gè)由全球發(fā)達(dá)國(guó)家投入它集成激光測(cè)距技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用全新技術(shù)，慣性測(cè)量單元（IMU）/DGPS差分定位技術(shù)中的一種，在三維空間信息的實(shí)時(shí)化、采集化有了重大突破，為高時(shí)空分辨率全球空間數(shù)據(jù)信息提供了一種跨時(shí)代的技術(shù)手段。具有自能化程度好、受天氣影響小、數(shù)據(jù)制作迅速、精準(zhǔn)度高。

機(jī)載激光雷達(dá)上面的傳感器發(fā)射的激光脈沖有部分穿透防護(hù)林的功能，直接獲取高精度三維地形數(shù)據(jù)，三維激光數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件可以生成高精度的數(shù)字地形模型，等高線圖，與傳統(tǒng)的X線頭影測(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)所無(wú)法替代的優(yōu)越性和機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用，映射如生成DEM，輪廓線和更方便的特征自動(dòng)提取，地面數(shù)據(jù)處理軟件將之綜合到各種數(shù)字地圖中。

3.技術(shù)原理與特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)使用激光脈沖傳輸和接收地面三維信息的直接檢測(cè)地面三維信息。主要構(gòu)成為：

激光雷達(dá)發(fā)射/GMS接收系統(tǒng)——激光回光測(cè)距；

掃描系統(tǒng)——激光單一瞬間發(fā)散角度測(cè)量；

GPS系統(tǒng)——位置高精度測(cè)量；

IMU系統(tǒng)——姿態(tài)高精度測(cè)量。

激光雷達(dá)綜合利用慣性導(dǎo)航獲得三個(gè)方位角，通過全球定位系統(tǒng)獲取激光掃描儀中心（X、X）坐標(biāo)，然后再使用激光掃描儀獲取激光掃描儀中心到地面的距離，可計(jì)算出相應(yīng)的地面激光點(diǎn)目前空間坐標(biāo)（X，Y，Z），即是根據(jù)激光發(fā)射點(diǎn)位置、姿態(tài)、瞬間掃描角度、激光探測(cè)距離，快速測(cè)量出每個(gè)地物點(diǎn)的三維信息。基于飛行載體，通過大角度“Z”形掃描方式，快速大面積獲取地物三維信息。

4.數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)提取。原始數(shù)據(jù)輸入到POS軟件是專業(yè)的數(shù)據(jù)提取模塊提取數(shù)據(jù)，GPS，IMU傳感器數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。

2）GPS數(shù)據(jù)的擬合。在原有的GPS數(shù)據(jù)的POS數(shù)據(jù)和 GPS數(shù)據(jù)從提取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從站的GPS數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行基于數(shù)據(jù)的軟件。

3）計(jì)算外定向元素。精確的GPS定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)是IMU傳感器加載的軟件計(jì)算的解決方案，得到的是6個(gè)方位元素。

4）設(shè)置大氣校正的參數(shù)范圍，飛機(jī)掃描儀的驗(yàn)校準(zhǔn)，和POS誤差標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)并添加雷達(dá)原始數(shù)據(jù)文件和POS產(chǎn)生外方位文件。

5）設(shè)置輸出文件路徑，然后選擇輸出文件格式和相應(yīng)文件選項(xiàng)，運(yùn)行后產(chǎn)生得到的的LAS文件，使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)LAS格式使用編輯軟件

6）數(shù)據(jù)顯示和查看。參照根據(jù)高度強(qiáng)度、地物條件、回波信息等來制成數(shù)據(jù)。

7）創(chuàng)建不同類型的圖層。創(chuàng)建一個(gè)層的噪音點(diǎn)，糕點(diǎn)層，植被圖，建筑層。在隨后的處理中繼續(xù)進(jìn)行各種類型的處理，各點(diǎn)屬于相應(yīng)的層。

8）所有的點(diǎn)被分類成默認(rèn)的類，并且該行被引入來刪除默認(rèn)類中的冗余點(diǎn)。

9）噪音點(diǎn)。一般根據(jù)絕對(duì)高度或設(shè)置閾值，以消除明顯異常。也可以基于其他濾波算法去修改噪聲點(diǎn)。

10）點(diǎn)云分類。根據(jù)多相呼應(yīng)的植被分類，再?gòu)闹刑崛〕龅母唿c(diǎn)，再?gòu)牡厣戏蛛x出的水和建筑物。

11）建模構(gòu)成。從地面點(diǎn)提取一定密度的點(diǎn)建立地面模型，也可以被添加到建筑，將模型輸出的最后是XYZ格式文件。

5.主要產(chǎn)品

使用激光掃描儀得到的中心的距離地面激光掃描儀，可以計(jì)算相應(yīng)的地面激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）。同時(shí)獲取正確的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的范圍和真彩色數(shù)字圖像影像數(shù)據(jù)，和RGB算法得出的正射影像，只是一個(gè)航帶就可以獲得豐富的地理信息，可以提供多種類型測(cè)繪產(chǎn)品，比如4D產(chǎn)品，3D景觀，城市DEM等。

總結(jié)：本文簡(jiǎn)單介紹的介紹了三維激光點(diǎn)云獲取的方式、技術(shù)流程、工作原理等，基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），作為一個(gè)城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)的地形數(shù)據(jù)，根據(jù)三維激光點(diǎn)云的特點(diǎn)，下一步可以構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的三維信息模型，隨著智能城市的發(fā)展應(yīng)用，越來越多政府職能部門迫切需求更真實(shí)，且完整的、精度高的三維空間數(shù)據(jù)作為智能城市空間載體。一方面，恢復(fù)城市的自然真實(shí)面貌，提供完整的空間信息服務(wù)于用戶。例如建筑、橋梁、道路、樹木等，讓三維模型的信息更加直觀，達(dá)到越來越容易使用和更廣泛的應(yīng)用；另一方面，更好的減少三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)日期，為智能城市提供及時(shí)、有效的空間數(shù)據(jù)信息。

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