車載三維移動立體影像采集系統的集成及應用

王岳文，周良恩，許立本

(寧波市阿拉圖數字科技中心，浙江 寧波 315800)

車載三維移動立體影像采集系統的集成及應用

王岳文*，周良恩，許立本

(寧波市阿拉圖數字科技中心，浙江 寧波 315800)

車載移動激光測量技術已成為當今測量研究的熱點。本文介紹了車載三維立體影像采集系統的組成部分、工作原理和后期系統采集的點云數據的處理，通過實例論述了系統在數字竣工測量等方面的應用。

激光掃描；移動測量；三維立體重建

1 引 言

伴著激光技術的發展和成熟，激光掃描儀本身具有的很高的測量效率、精度的特點在工程測量中得到廣泛應用，成了又一種獲取三維空間信息的新的技術手段。在實際測量中，往往遇到的情況趨于多樣、多變、復雜化。而且測量不同項目有不一樣的要求，為了滿足不同測量項目的需求，催生了不同類型、不同組合方式、不同搭載平臺的激光掃描測量系統的誕生。按激光掃描測量系統搭載平臺的不同，亦可分為機載、星載以及地面激光掃描測量系統等[1]。各種搭載平臺各有優缺點，例如，機載或星載傳感器來采集地面目標，由于距離和角度的問題無法準確地采集到近距離的景物的三維目標信息。為了解決這個問題，迫切的需要可移動的地面近景激光掃描系統，于是車載激光掃描系統成為現階段熱門的研究方向。

地面三維激光雷達(Terrestrial Laser Scanning，TLS)是20世紀90年代突破的一種快速獲取三維空間信息的技術手段，廣泛應用于測繪技術行業。它具有高精度、高效率、高分辨率等優點。因為融合了激光點云能真實反映目標的結構、形狀、顏色，為測量目標的識別分析提供了更為豐富的研究內容[2]。因為其獲取空間數據的快速、高精度特點符合了測繪發展的趨勢，滿足了空間信息獲取和表達的需要，因此在眾多工程應用領域顯現出了技術上的優勢，引發了新的技術革命。

隨著科技的進步，獲取三維空間信息的手段也呈現多樣化，不同傳感器搭載不同的平臺，目的就是更好、更快、更準確地獲取三維空間信息。現以高速地面三維激光雷達用作核心傳感器，并以GPS和IMU進行激光掃描傳感器定位定姿的移動測量系統已成為對地觀測技術的補充[3]。它具有分辨率高、精度高、操作方便、靈活的觀測時間、成圖周期短、作業效率高、能進行連續和動態測量等一系列的優點[4]。實現了場景的快速三維重建和高精度三維測量；同時采用靜動態相結合激光掃描測量方式，可實現密集城市中建筑竣工、地面管線測量、地形圖測量等工作，進一步推動數字化城市的建設。

2 車載三維立體影像采集系統

2.1 車載三維立體影像采集系統的組成

車載三維立體影像采集系統是一個高集成度、高自動化的采集系統，利用多種不同型號傳感器來實現對周邊地物的三維空間信息的數據和實景數據的獲取。其系統主要由全景圖像采集模塊、POS采集模塊、激光掃描數據采集模塊、系統控制模塊等幾個主要部分組成[5]。如圖1所示：

圖1 車載三維立體影像采集系統的硬件組成

(1)激光掃描數據采集模塊：配置兩臺激光掃描儀來分別獲取車輛兩邊的地物點云數據(RIEGL VZ-400)及地面點云數據(LMS-Q120i)。

(2)全景圖像采集模塊：用于同步獲取影像，提供豐富的場景紋理信息。全景影像采集系統由8個CCD相機構成。

(3)POS模塊：主要組成部分分為全球定位系統(GPS)及慣性測量單元(IMU)，為了獲取掃描裝置實時的空間姿態和空間位置。

(4)集成控制模塊：用于在車載三維立體影像采集系統在采集數據中的系統內部同步交互與控制。

(5)數據存儲、監視等系統：裝配顯示器用于監視車輛運行測量路線和內容，配備數據存儲系統等必要設備。

通過對車載三維立體影像采集系統的調研，確定整個系統的配置(包括激光掃描儀、全景相機、POS系統、控制系統等型號及其隨機軟件)，完成詢價和相應采購任務，搭建系統。集成后的系統如圖2所示。

圖2 車載三維立體影像采集系統的系統集成

為了實現城市和道路兩側的主要街道等3D場景的自動快速采集，車載三維數據采集系統需要集成各種傳感器，包括：全球定位系統(GPS)、激光測距掃描儀(LS)、慣性測量單元(IMU)、CCD陣列數碼相機、矢量、線陣CCD數碼相機[6]。全球定位系統獲得可靠的空間信息；慣性測量單元測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的信息；二維激光掃描儀獲取周邊地物的平面輪廓線；采集的數據經過降噪等工序與其他傳感器獲得的數據進行統一的計算、匹配，提取出地物明顯的特征點、要素點，擬建出周邊道路及街景的三維模型，然后通過相機獲取的實景照片對三維模型的表面紋理進行糾正。

2.2 車載三維立體影像采集系統高精度標定

車載三維移動測量系統的IMU和GPS僅僅只獲取了車輛行駛的軌跡及姿態數據，然后將該信息傳遞給激光掃描儀，大量的空間信息是通過多臺的CCD相機組成的測量系統獲得。然而，由于激光掃描儀的中心和慣導中心之間的不統一，同時IMU姿態，它不能準確地反映激光掃描儀的態度，因此有必要準確地校準激光掃描儀的6個參數，即3個平移參數(反應慣導中心與掃描儀中心位置關系)以及3個旋轉參數(反應IMU姿態與激光掃描儀的姿態關系)[7]。想要實現三維車載激光掃描系統高精度的絕對標定，需要通過建立車載三維激光掃描系統的科學嚴謹的定位模型，并引入羅德里格矩陣到激光掃描儀的外參數解算中。此外，系統中由GPS、IMU、RIEGL VZ-400組成的三維激光掃描成像系統的外方位元素標定問題，而LMS-120i的標定方式與VZ-400等方法類似。

(1)全景相機的高精度標定。利用高精度的數據成像模型進行標定，獲取正確的空間投影關系。建立360°控制場進行全景相機的高精度標定，借助全景大視野可觀測完整的場景結構，充分利用物方已知的幾何關系(如建筑物平行、垂直輪廓線)，采用基于物方先驗知識的標定算法。

(2)三維激光掃描儀的高精度標定。采用剛體變換法和基線比較法進行系統誤差的檢校，對于生成點云質量有影像的因素，進行集中、系統的綜合分析和比對，建立科學的數字模型形成一套實用的地面三維激光雷達檢校和標定方法，同時建立檢校場。

(3)車載三維立體影像采集系統的聯合標定。即點云與影像的高精度融合技術。車載三維立體影像采集系統的聯合標定結果直接決定了采集系統外方位元素的精度和可靠性，也直接關系到后期數字產品的精度和可靠性。將點云數據按不同顏色賦值分類，便于我們實際操作時的辨別與分析。車載三維數據采集系統工作時采集周圍地物及相關的影像數據與車載系統得到的空間坐標匹配，獲得精確的實際空間位置及現場真實場景。

3 車載三維立體影像采集系統移動測量

3.1 GPS基站架設

解算的精度與車載GPS觀測條件、車載IMU測量精度、GPS基站觀測條件、GPS基站與車輛距離、GPS基站架設的已知點坐標精度等有關。作業前GPS基站以靜態觀測模式在車載POS數據開始采集之前提前幾分鐘開啟，并于車載POS數據采集完畢后延遲幾分鐘關閉。

3.2 激光點云與全景影像數據采集

作業前對行進路線進行合理規劃，檢查各儀器設備的運轉狀況是否良好，車輛本身是否正常；提前了解衛星星歷預報，防止GPS授時錯誤。車輛前去作業時，停止一段時間，以便POS系統進行初始化。在前往測區過程中，選擇一條GPS觀測條件較好的直線道路行駛一段時間。當車輛抵達掃描時，適當提前采集點云數據，并在合適的地方將工程數據進行適當分隔。最終的點云精度，受車輛行進過程中的GPS觀測條件影響較大。在GPS失鎖條件下，盡量不進行高精度的測量，在條件較差區域可利用周邊觀測條件較好的地方，每隔一段時間進行一次POS觀測修正，使數據得到補償。

在作業過程中，沿車輛行進方向上，當VZ-400向右側掃描時，車輛盡量向左行駛；當VZ-400向左側掃描時，車輛盡量向右側行駛，掃描角度視現場環境及時調整，避免較大的缺漏和遮擋。

道路數字360°全景實景影像是以flash形式嵌入網頁或地圖網站，制作出街景影像視頻，并與傳統地圖相結合，作為網站二維矢量地圖、三維仿真地圖和遙感衛星影像的補充，以作業人員視線的角度，將客觀世界的最直觀和最真實的影像呈現給社會公眾。街景影像地圖功能主要包括：向左旋轉、向右旋轉、仰視、俯視、近看、遠看、自動播放以及全屏展示等。道路數字360°全景實景影像制作主要包括數據采集和數據處理兩部分。

全景相機在固定頻率對周邊環境進行拍攝。進入測區拍攝前，需進行影像預覽，調整影像色調和亮度，進行白平衡。數據采集需要綜合考慮天氣狀況、道路交通擁擠狀況、周邊環境等因素，一般選擇在天氣晴朗時。采集的數據以*.pgr格式文件形式存儲在計算機磁盤上。

在外業采集完畢后，仍需要將車輛停止一段時間，保證POS精度。對各項數據的完整性進行檢查，及時下載數據并備份。重要設備在使用前進行固定安裝，使用完成后及時取下，按時維護保養，防止日曬雨淋。

3.3 道路點云和全景影像數據預處理

3.3.1 激光點云定位定向

需要利用Waypoint軟件對車載POS數據、GPS數據和IMU數據進行聯合解算，獲得車輛的空間位置。激光點云定位定向處理前，首先將車載GPS數據和IMU進行分離，將分離出來后的GPS數據進行定位解算。需要利用GPS的差分基本原理來解算定位，差分改正可以獲取高精度結果。利用已知的精確坐標點上的建立地面站和衛星的星歷進行比較，計算獲得基準站與星間的距離改正數，還可以用GPS設備采集基準站的坐標，比較基準站已知坐標及觀測坐標獲得同一個點的位置改正數[8]。

在進行數據定位之后，根據計算獲得的GPS天線坐標和激光掃描儀處的坐標信息。GPS天線偏心分量實測得到；IMU偏心分量和IMU與激光掃描儀相對位置取標定資料提供的值。將聯合定位信息加入RiScan Pro軟件系統進行處理，獲得激光掃描儀車載模式的行跡文件，確定每一個激光點的坐標值，對整個點云文件進行定向。

3.3.2 全景影像數據處理

數字全景影像數據處理流程如圖3所示：

圖3 全景影像數據處理流程

3.4 基于點云的道路竣工圖繪制

3.4.1 點云處理過程

采用City Scene點云綜合處理軟件對不同屬性的地物進行區分抽稀后，結合CAD的可視化窗口分析判斷點云的方法，如圖4所示。

圖4 點云處理流程

3.4.2 不同地物的矢量化繪制

(1)線狀地物繪制

①對于進行抽稀過后的數據按不同高程區間的特征將其區分繪制，如圖5、圖6中柵欄的繪制。

圖5 原始點云示例

圖6 按高程分割后點云示例

②與周邊地物有一定高程差異特征的線狀地物根據高程特征直接繪制，如圖7中道路邊線的繪制。

圖7 道路邊線繪制示例

③對于無明顯高程差異的現狀地物需要現場比對修正繪制。

(2)點狀地物繪制

對于點狀地物繪制，為了避免提取時的錯誤，利用高程差異的特點先將其分離。如果點陣列數超過4列的點狀地物，需如圖8、圖9所示進行偏心繪制。

圖8 點狀地物(路燈)繪制示例

圖9 點狀地物(路燈)偏心繪制示例

(3)高程注記

首先點云直接按照高程裁切，然后高程注記可以提取裁切點進行注記，如圖10所示。

圖10 高程注記獲取示例

(4)復雜區域地物繪制

如果現場地形地貌比較復雜，可以先提取復雜區域再進行投影，使用切面等方式繪制，繪制流程如圖11～圖13所示。

圖11 原始點云

圖12 分離后點云

圖13 分離投影后點云

4 應 用

(1)地形測量。利用車載激光雷達技術實現三類地物，解決野外非居民地的大面積成圖。采用靜態方法解決二類地物與一類地物的測量工作，實現內業數據快速處理。

(2)道路竣工測量。利用車載激光雷達完成道路和橋梁的快速數據采集，保證數學精度的基礎上生成高密度DEM，改進現有作業成果，減少人工測量工作，同時內業快速繪制數字線劃圖。

(3)利用靜態激光雷達實現城市建筑物竣工測量，白模型的快速生成與高分辨率高精度紋理貼圖，生成竣工成果所需要的數字線劃圖。擬利用車載激光雷達在城市建成區快速三維建模，實現建筑物與道路、橋梁白模型的快速生成與高分辨率高精度紋理貼圖。實現半自動可視化建模和紋理的可量測性。

(4)地理部件采集。利用車載激光雷達快速采集道路兩側的市政部件和地理要素，實現路燈、窨井等部件的快速提取與分類，確定部件的坐標位置，為各類地理部件的快速更新服務。

5 總 結

隨著社會經濟的發展，城市建筑、環境的多樣化、復雜化，一般的測量手段已無法滿足測量要求，移動測量技術的發展趨于成熟，車載三維掃描系統的應用極大地提高了測量工作的時效性，又多了一種全新的獲取空間信息的手段。充分了解車載三維系統的組成、工作原理及提高采集數據的精度能很好的應用于建筑、道路竣工以及三維仿真建模等項目中，對于解決城市重復測量、提高城市測量效率、快速實現城市竣工測量等工作都具有重要意義。

[1] 喻亮. 基于車載激光掃描數據的地物分類和快速建模技術研究[D]. 武漢：武漢大學，2014.

[2] 鄭德華，雷偉剛. 地面三維激光影像掃描測量技術[J]. 鐵路航測，2003(2)：26～28.

[3] 陳為民，聶倩，林昀. 基于羅德里格矩陣的車載激光點云與全景影像配準研究[J]. 測繪通報，2013(11)：24～27.

[4] 韓友美. 車載移動測量系統激光掃描儀和線陣相機的檢校技術研究[D]. 青島：山東科技大學，2016.

[5] 陳長青，朱元彪，吳盛才. 車載三維立體影像采集系統在城市道路竣工測量中的應用[J]. 黑龍江科技信息，2014(14)：239～241.

[6] 陳允芳，葉澤田，張恒鐵等. 多傳感器組合的移動車載數據采集系統研究[J]. 傳感器與微系統，2006(12)：28～30.

[7] 聶倩，陳為民，陳長軍. 車載三維激光掃描系統的外參數標定研究[J]. 測繪通報，2013(11)：80～83.

[8] 吳清海，云先艷. RTK與全站儀聯合測圖[J]. 江西測繪，2007(1)：25～27.

IntegrationandApplicationofThreeDimensionalMovingStereoImageAcquisitionSystem

Wang Yuewen，Zou Liangen，Xu Liben
(Ningbo City Aratos Digital Technology Center，Ningbo 315800，China)

Mobile laser measurement technology has become a hot spot in the field of measurement. In this paper，This paper introduces the components，working principle and processing of the point cloud data collected by the system，This paper discusses the application of the system in digital completion measurement.

laser scanning；mobile measurement；3D reconstruction

1672-8262(2017)06-90-05

P232

A

2017—03—01

王岳文(1982—)，男，工程師，主要從事城市工程測量技術工作。