激光點(diǎn)云與影像點(diǎn)云辨析

危 遲

（武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，北京 100830）

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)是一種獲取城市三維空間數(shù)據(jù)的新手段，20世紀(jì)末出現(xiàn)后，該技術(shù)逐漸成為攝影測(cè)量、遙感等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。按照載荷平臺(tái)的差異，三維激光掃描主要分為地面、車載和機(jī)載3類。其中，地面激光掃描儀如國(guó)外的Faro Focos3D、國(guó)內(nèi)的LS300等通常被安置在地面三腳架上，車載激光掃描儀如iScan移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等安置在汽車上，機(jī)載激光雷達(dá)主要在飛機(jī)、熱氣球等移動(dòng)搭載平臺(tái)上應(yīng)用。

隨著光學(xué)、電子學(xué)的不斷發(fā)展，以及GPS技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、CCD影像及激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與成熟，多平臺(tái)和多傳感器集成技術(shù)成為獲取地球空間信息的一種趨勢(shì)，在數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方面，已經(jīng)不是簡(jiǎn)單利用單一的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或構(gòu)建地面數(shù)字模型，而是向多源數(shù)據(jù)融合及更深入的應(yīng)用發(fā)展。

以iScan移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為例，其裝載的激光掃描傳感器可實(shí)時(shí)獲取路測(cè)地物的三維幾何信息，360°全景相機(jī)可獲取大幅面的街景信息。將影像數(shù)據(jù)和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到具有真實(shí)顏色信息的地物點(diǎn)云信息，從而在地物識(shí)別、分類、三維建模等方面發(fā)揮重要的作用。

二、激光點(diǎn)云與影像點(diǎn)云

三維激光點(diǎn)云是指由三維激光掃描儀采集，在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合，它具有密度大、精度高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 激光點(diǎn)云——按強(qiáng)度渲染

三維激光掃描儀利用發(fā)生激光器對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，直接獲取物體表面的三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并返回地物反射信號(hào)的強(qiáng)度，但是難以獲得地物的光譜信息，這給三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和理解帶來(lái)了很大困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)被測(cè)物體拍攝若干照片，利用數(shù)碼影像豐富的光譜信息來(lái)彌補(bǔ)三維激光點(diǎn)云的不足，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，融合兩者信息，這就是影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖2所示為使用筆者所在單位的iScan移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 影像點(diǎn)云——街景應(yīng)用場(chǎng)景

三、對(duì)比辨析

1.采集獲取

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集硬件設(shè)施需要三維激光掃描儀。按照載荷平臺(tái)的不同，可以分為手動(dòng)式、地面站式、車載移動(dòng)式及機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，即可完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作。與之相比，影像點(diǎn)云除了需要三維激光掃描儀外，還需要相機(jī)進(jìn)行光譜信息的采集，獲取影像的數(shù)據(jù)。在實(shí)踐過(guò)程中，一般而言，針對(duì)室內(nèi)的小場(chǎng)景，可以使用掃描儀內(nèi)置相機(jī)進(jìn)行采集，也可使用外置相機(jī)配合地面激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，如LS300地面站掃描儀；而對(duì)于室外的街景應(yīng)用場(chǎng)景，可以使用全景相機(jī)配合車載激光掃描系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集工作，如iScan系統(tǒng)使用360°高清全景相機(jī)。

2.可視表達(dá)

三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行掃描，獲取目標(biāo)點(diǎn)的距離及反射強(qiáng)度值，從而進(jìn)行坐標(biāo)解算，獲取目標(biāo)表面的空間坐標(biāo)，表現(xiàn)為三維空間中的“點(diǎn)云”。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行渲染時(shí)，一般可以通過(guò)點(diǎn)云的強(qiáng)度信息、距離信息、高程信息等進(jìn)行渲染，用來(lái)進(jìn)行可視化表達(dá)。對(duì)于影像點(diǎn)云，狹義上的可視化表達(dá)一般將影像作為前景，點(diǎn)云作為背景，兩者進(jìn)行疊置顯示，如百度的激光全景，其實(shí)質(zhì)是影像點(diǎn)云的一種，提供更佳的真三維體驗(yàn)。

3.數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程，主要是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，包括多視測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云編輯、點(diǎn)云分類等，可使用點(diǎn)云預(yù)處理軟件完成。預(yù)處理完成后，再根據(jù)下階段具體應(yīng)用需求（如數(shù)字測(cè)圖、三維建模等）進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而獲取所需的成果。影像點(diǎn)云需要進(jìn)行影像與點(diǎn)云的配準(zhǔn)工作，計(jì)算出影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的變換參數(shù)，完成信息融合，采用點(diǎn)云提供精度、影像提供辨識(shí)度的方式，獲取成果數(shù)據(jù)。

4.行業(yè)應(yīng)用

在數(shù)字城市三維建模領(lǐng)域，激光點(diǎn)云能夠從點(diǎn)云數(shù)據(jù)出發(fā)，重建實(shí)物的模型，提取相應(yīng)的幾何信息，真實(shí)地反映對(duì)象的尺寸大小，具有所見(jiàn)所得的量測(cè)功能。

在文化遺產(chǎn)保護(hù)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要有虛擬修復(fù)、文物變形監(jiān)測(cè)、文物測(cè)量建模、石窟石刻文物保護(hù)測(cè)繪、館藏文物保護(hù)與修復(fù)、大型文化遺產(chǎn)保護(hù)、文物體積計(jì)算、野外考古現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

在地形勘測(cè)領(lǐng)域，主要包括地形測(cè)量、高陡邊坡滑坡監(jiān)測(cè)、潰壩監(jiān)測(cè)和堰塞湖調(diào)查、地質(zhì)和危巖體調(diào)查、巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)、復(fù)雜挖填方工程方量計(jì)算、壩體逆向工程建模等方面，激光點(diǎn)云相較于影像點(diǎn)云更加適用。

在互聯(lián)網(wǎng)街景地圖服務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的海量性特點(diǎn)，以及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要求，影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加適用。通過(guò)一定的技術(shù)手段，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含的精確三維坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成小數(shù)據(jù)量的形式，同時(shí)配合影像數(shù)據(jù)提供的直觀信息，在街景地圖服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景下，發(fā)揮用武之地。

四、結(jié)束語(yǔ)

以GNSS、RS、GIS技術(shù)為代表的現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)，使測(cè)繪科學(xué)從理論到手段都發(fā)生了根本性變化，步入一個(gè)新階段。三維激光掃描技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)繪手段，在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍正在不斷擴(kuò)大，其獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，根據(jù)不同的需求進(jìn)行處理，可以轉(zhuǎn)換成為不同數(shù)據(jù)形式。激光點(diǎn)云與影像點(diǎn)云是三維掃描技術(shù)獲取的新型數(shù)據(jù)，兩者并無(wú)高低優(yōu)劣之分，只有適用應(yīng)用場(chǎng)景之不同，應(yīng)深入地挖掘數(shù)據(jù)的潛在信息，以便在各自的適用領(lǐng)域之內(nèi)提供更好的服務(wù)。