基于移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)Trimble MX8的桿狀地物提取研究

劉 寶

(中國(guó)中材集團(tuán)建材地勘甘肅總隊(duì) 天水三和數(shù)碼測(cè)繪院，甘肅 天水 741000)

基于移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)Trimble MX8的桿狀地物提取研究

劉 寶

(中國(guó)中材集團(tuán)建材地勘甘肅總隊(duì) 天水三和數(shù)碼測(cè)繪院，甘肅 天水 741000)

介紹車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展和特點(diǎn)，以及Trimble MX8系統(tǒng)的構(gòu)成和功能應(yīng)用，重點(diǎn)闡述當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取桿狀地物的方法。通過(guò)選擇兩條不同的道路，在不同道路環(huán)境下應(yīng)用不同的參數(shù)對(duì)桿狀地物進(jìn)行提取，顯示不同的提取結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出：面對(duì)不同的道路環(huán)境，采用相適宜的參數(shù)，再加以人工細(xì)致的檢查，從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取桿狀地物的結(jié)果還是可以滿足需要的。

車載；激光掃描；激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；桿；提取

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，因其采集地理信息數(shù)據(jù)的高效性、高精度性和大數(shù)據(jù)量性等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為獲取空間數(shù)據(jù)的一種重要技術(shù)手段。根據(jù)載體平臺(tái)的不同，此技術(shù)現(xiàn)主要分為機(jī)載、車載、地面激光掃描3種，當(dāng)然還有船載以及便攜式等類型[1]。

車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)[2]，又稱車載移動(dòng)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，是目前最先進(jìn)的、有效的測(cè)量系統(tǒng)工具之一。它是地面激光掃描測(cè)量技術(shù)的跨越和發(fā)展，代表移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(Mobile Mapping System)的最新發(fā)展趨勢(shì)，可以快速獲取高密集、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在測(cè)量時(shí)只需在道路上行駛就能獲取兩側(cè)和地面詳盡的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并同步得到與點(diǎn)云高精度匹配的影像。

車載激光測(cè)量系統(tǒng)捕捉到的信息包括道路兩側(cè)的建筑物、樹木、電燈桿、電力線、橋梁以及路面上的交通標(biāo)識(shí)線等[3-7]。本文介紹桿狀地物提取的過(guò)程和方法。

1 Trimble MX8系統(tǒng)介紹

Trimble MX8系統(tǒng)是美國(guó)天寶公司推出的一款車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，外形如圖1所示。

圖1 車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)Trimble MX8

Trimble MX8是前幾款的升級(jí)版，它采用了當(dāng)今最前沿的測(cè)繪技術(shù)，集成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)、高精度激光雷達(dá)掃描儀(Riegl公司VQ-250掃描儀)、360度高分辨率全景相機(jī)(Ladybug3)和航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)傳感器，因而具有射程遠(yuǎn)、點(diǎn)密度高、掃描精度高等特點(diǎn)。功能強(qiáng)大的移動(dòng)測(cè)繪傳感器可加載在不同的測(cè)量平臺(tái)上(航空飛行器、陸地交通工具、水上交通工具和室內(nèi)小車)，以滿足不同范圍和精度的測(cè)量需求。相關(guān)硬件如圖2、圖3所示。

圖2 激光頭

圖3 相機(jī)頭

內(nèi)業(yè)后處理軟件Trimble Trident Analyst V6.0可進(jìn)行移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集管理、影像點(diǎn)云解譯和自動(dòng)要素提取等工作，具備實(shí)用便捷的實(shí)景量測(cè)、數(shù)據(jù)圖層創(chuàng)建、目標(biāo)定位和智能的自動(dòng)化數(shù)據(jù)提取等功能，如數(shù)字地表模型生成、3D量測(cè)、道路標(biāo)記和桿狀地物檢測(cè)、路面標(biāo)識(shí)檢測(cè)、道路標(biāo)線和橫斷線檢測(cè)、路面斷裂破損評(píng)定、路面影像糾正和拼接鑲嵌、道路幾何信息提取、凈空測(cè)量、數(shù)據(jù)層添加、線性參照、誤差量測(cè)和糾正、多源數(shù)據(jù)格式和ODBC接口等功能。

該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、應(yīng)急測(cè)繪、公路測(cè)量、鐵路測(cè)量、河道測(cè)量、電力線測(cè)量，還可應(yīng)用于隧道測(cè)量、橋梁測(cè)量、管道測(cè)量等領(lǐng)域，大大提升項(xiàng)目生產(chǎn)效率、縮短項(xiàng)目周期，為快速?zèng)Q策、規(guī)劃、管理和應(yīng)急響應(yīng)等提供準(zhǔn)確的空間信息數(shù)據(jù)。

2 桿狀地物提取

2.1 國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究

目前，國(guó)外學(xué)者的提取算法公開的比較少，所以可供研究的不多[8]。

根據(jù)人們以前對(duì)激光的了解和使用，得知以下結(jié)論：電線桿的反射率在 0.2～0.4之間，樹木在0.1～0.3之間，公路標(biāo)識(shí)牌反射率大于0.7，建筑物在0.3～0.6之間，瀝青路面反射率在0.2左右，路面中心線和路邊線在0.2～0.5之間，水面和玻璃窗戶反射率較低，激光點(diǎn)被吸收，反射率幾乎為0。

基于以上基礎(chǔ)研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者鄒曉亮提出的算法是：針對(duì)移動(dòng)車載激光掃描系統(tǒng)獲取的道路信息既包括路面和邊界信息，又包括電線桿、燈桿、護(hù)欄等附屬信息，將投影點(diǎn)密度的概念與電線桿的幾何特點(diǎn)相結(jié)合，提出了基于車載激光掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別和定位電線桿的方法[9]。其中，投影點(diǎn)密度的概念為將三維點(diǎn)云的坐標(biāo)點(diǎn)直接垂直投影到水平面上，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算落在網(wǎng)格單元中的投影點(diǎn)個(gè)數(shù)。

首先將車載測(cè)量系統(tǒng)獲取的激光點(diǎn)云投影到水平面，建立水平格網(wǎng)，設(shè)置投影點(diǎn)密度閾值分類出桿狀地物所在的格網(wǎng)區(qū)域；然后將分類得到的桿狀數(shù)據(jù)擬合成為一條空間直線，以電線桿的幾何特性作為期望值和方差，自動(dòng)識(shí)別電線桿；最后用該空間直線與地面網(wǎng)格相交算法確定電線桿的定位位置。

同時(shí)，該算法還考慮用電線桿的幾何特性進(jìn)行識(shí)別定位：電線桿高度一般在10～15 m，直徑在20～50 cm，垂直于地面，電線桿的傾斜角度不超過(guò)5°。

該算法大體包含三個(gè)步驟：1)網(wǎng)格建立；2)網(wǎng)格投影與分類；3)考慮電線桿幾何特性的識(shí)別與定位。

需要指出的是，雖然此處列舉的是國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電線桿的自動(dòng)識(shí)別與定位的研究，但這對(duì)于桿狀地物的提取和定位是有非常重要的借鑒意義的。

2.2 商業(yè)化軟件的提取過(guò)程

Trimble公司的Trident Analyst V6.0軟件是一款商業(yè)化的軟件，它通過(guò)使用幾個(gè)關(guān)鍵的過(guò)濾參數(shù)來(lái)提取桿狀地物。打開相應(yīng)模塊[10]，如圖4所示。

圖4 桿狀地物探測(cè)模塊

首先，添加需要處理的激光點(diǎn)云文件，即提取桿狀地物的激光點(diǎn)云文件；再看過(guò)濾選項(xiàng)，共有5項(xiàng)過(guò)濾參數(shù)：

1)最大側(cè)面偏移量：指以車行軌跡線為中心，向車兩側(cè)探測(cè)桿狀地物的最大距離范圍，默認(rèn)參數(shù)為10 m，實(shí)指-10～10 m；

2)最小高度：指探測(cè)的桿狀地物的最小高度，在此高度以上的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認(rèn)參數(shù)為2 m；

3)最大寬度：指探測(cè)的桿狀地物的最大寬度，在此寬度以內(nèi)的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認(rèn)參數(shù)為1 m；

4)最大傾斜角度：指探測(cè)的桿狀地物的最大傾斜角度，在此傾斜角度以內(nèi)的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認(rèn)參數(shù)為7°；

5)使用GPS時(shí)間來(lái)限制提取的數(shù)據(jù)段：這項(xiàng)參數(shù)很容易理解，輸入起始時(shí)間點(diǎn)、結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，軟件只提取這段時(shí)間內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)里的桿狀地物。

輸出設(shè)置包括2項(xiàng)內(nèi)容：

1)桿狀地物圖層。這是一個(gè)點(diǎn)圖層，用來(lái)存儲(chǔ)提取到的桿狀地物的位置點(diǎn)；它可以由系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建，也可以由用戶創(chuàng)建；此圖層必須包含兩個(gè)字段：寬度和高度，即用來(lái)存儲(chǔ)探測(cè)到的桿狀地物的寬度和高度；操作時(shí)，由用戶匹配好這兩個(gè)字段。

2)只添加新的桿狀地物。這里還需要輸入一個(gè)參數(shù)：搜索緩沖區(qū)半徑，它是以探測(cè)到的桿狀地物為圓心，以這個(gè)參數(shù)為緩沖區(qū)半徑畫圓，在這個(gè)圓內(nèi)，如果又探測(cè)到了新的桿狀地物，那么只在結(jié)果數(shù)據(jù)層中存儲(chǔ)這個(gè)新的桿狀地物，默認(rèn)參數(shù)為1 m。

3 提取實(shí)例

本文為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和實(shí)用性，分別選取兩條具有代表性的不同環(huán)境下的道路作為實(shí)驗(yàn)路段：

1)天水市秦州區(qū)至麥積區(qū)高速公路(天北高速)。此段實(shí)驗(yàn)道路的特點(diǎn)是：高速公路，道路規(guī)則簡(jiǎn)單，道路兩側(cè)、周圍幾乎沒(méi)有建筑物和大型樹木，掃描車周圍也沒(méi)有各種遮擋等，實(shí)景如圖5所示。

圖5 天北高速路段實(shí)景

2)天水市羲皇大道東團(tuán)莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺段。此段實(shí)驗(yàn)道路的特點(diǎn)是：典型的城市街道環(huán)境，街道兩邊有高大的建筑物，成年的高大樹木，各種狀態(tài)下的汽車等機(jī)動(dòng)車輛、行人、花壇；除電燈桿之外，還有不少交通標(biāo)識(shí)桿、電線桿、公安監(jiān)控桿等，實(shí)景如圖6所示。

圖6 羲皇大道東團(tuán)莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段實(shí)景

下面設(shè)置不同的參數(shù)在不同的道路上進(jìn)行多次探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.1 路段1)的提取實(shí)驗(yàn)如表1所示，提取結(jié)果如圖7所示。

由表1結(jié)合道路環(huán)境可以看出，側(cè)面偏移量不能設(shè)置過(guò)大，否則軟件會(huì)探測(cè)到高速公路以外的地方；最小高度也不能設(shè)置過(guò)低，否則軟件探測(cè)的錯(cuò)誤率會(huì)很高。

表1 在天北高速路段上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8所示為表1中第2次探測(cè)的部分結(jié)果。其中，圖8(a)中用圓圈線表示出的點(diǎn)為正確探測(cè)出的桿狀地物，方框線表示的是錯(cuò)誤探測(cè)出的桿狀地物?？梢钥闯?，當(dāng)把側(cè)面偏移量設(shè)置為20 m時(shí)，軟件探測(cè)的公路外側(cè)范圍加大，但探測(cè)的結(jié)果出現(xiàn)了

錯(cuò)誤，探測(cè)到樹枝或樹葉上，甚至其它地物上。另外，圖8(a)需要說(shuō)明的是，圖片中右側(cè)有一個(gè)路牌，它有兩個(gè)桿，但由于搜索緩沖區(qū)半徑設(shè)置為1 m，兩桿之間的距離又小于1 m，所以探測(cè)出的點(diǎn)只有一個(gè)，也正好印證了它是同一個(gè)地物。

圖8 路段1)的第2次探測(cè)部分結(jié)果(含錯(cuò)誤探測(cè)點(diǎn))

3.2 路段2)的提取實(shí)驗(yàn)如表2所示，提取結(jié)果如圖9所示。

表2 羲皇大道東團(tuán)莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 羲皇大道東團(tuán)莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段上的部分提取結(jié)果

由表2結(jié)合本條道路環(huán)境可以看出，把探測(cè)的最小高度由2 m設(shè)置為3 m時(shí)，其對(duì)探測(cè)結(jié)果影響并不大；然而，當(dāng)把最大側(cè)面偏移量由10 m設(shè)置為20 m時(shí)，軟件的探測(cè)錯(cuò)誤率非常高，原因是軟件把街道兩邊以外更大范圍的數(shù)據(jù)探測(cè)進(jìn)來(lái)了，包括一些電線桿、一些樹干和一些錯(cuò)誤的點(diǎn)，結(jié)果如圖10所示。其中，圖10(a)中用圓圈線表示出的點(diǎn)為正確探測(cè)出的桿狀地物，方框線表示的是探測(cè)出的不符合要求的桿狀地物或錯(cuò)誤地物。

圖10 路段2)的第3次探測(cè)部分結(jié)果(含錯(cuò)誤探測(cè)點(diǎn))

由以上兩組實(shí)驗(yàn)道路、輸入?yún)?shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的道路環(huán)境，一定要選擇合適它的參數(shù)，才能做到事半功倍，才能探測(cè)到令人滿意的結(jié)果。當(dāng)然，合適的參數(shù)要通過(guò)多次測(cè)試才能得到。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)Trimble MX8的介紹，對(duì)其所帶內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Trident Analyst V6.0的使用，實(shí)驗(yàn)了其對(duì)桿狀地物的提取功能，對(duì)比分析了不同過(guò)濾參數(shù)下，不同類型的道路上，軟件對(duì)桿狀地物提取的不同效果。結(jié)果表明：對(duì)不同類型的道路，只要給軟件輸入和道路類型相適宜的參數(shù)，再加以人工的細(xì)心檢查，對(duì)桿狀地物的提取能夠達(dá)到理想的效果。

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[10]TRIMBLE COMPANY.Trimble Trident Software User Guide Version 6.0,Pole De-tection[M]. USA:Trimble Navigation Limited,2013:299-301.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Extractionofpolesbasedon3Dvehicle-bornemobilelaserscanningandsurveyingsystem

LIU Bao

(Tianshui Sanhe Digital Institute of Surveying and Mapping,China Construction Materials and Geological Prospecting Center,Gansu General Team,Tianshui 741000,China)

It presents the development and features of the 3D vehicle-borne mobile laser scanning and surveying system before giving an introduction of the structure and function application of the Trimble MX8 system. Following that,it elaborates the study of methods on extracting poles from laser point cloud data at present in China. Besides,it selects two different roads and performs a test on extractions of poles with different parameters and under different road environments,from which different results of extraction are collected. At last,on the basis of comparative analysis of the results,it concludes that for different road environments,the results derived from applying appropriate parameters with careful manual inspection in extracting poles from laser point cloud data can be satisfactory.

vehicle-borne；laser scanning；laser point cloud data；pole；extraction

2014-04-28

劉寶(1985-)，男，助理工程師，研究方向：車載移動(dòng)三維激光掃描測(cè)量.

P237

A

1671-4679(2014)05-0015-05