3D街景測量及數(shù)據(jù)處理研究

張淑峰

摘 要：該文以城市三維街景測量和數(shù)據(jù)處理為研究對象，探討將激光掃描儀、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、CCD相機(jī)集成于一體的3D測量系統(tǒng)，并論述了數(shù)據(jù)處理的流程和三維建模的方法，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：3D 街景 測量 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0045-02

目前，空對地觀測已發(fā)展有機(jī)載和星載的高分辨率、高光譜和雷達(dá)觀測技術(shù)，但仍未解決城市高層建筑遮擋區(qū)、高層建筑物立面，以及城市和眾多工程建設(shè)所需的高速度的三維測量問題。將激光掃描儀（Laser Scanner， LS）、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Differential Global Positioning System， DGPS）、CCD相機(jī)（Charge Coupled Device， CCD）集成于一體，并開發(fā)多源信息復(fù)合處理的軟件，使之構(gòu)成綜合、完善、靈活的工程實(shí)用系統(tǒng)，并具備應(yīng)用需求的多項(xiàng)基本功能。研制了具有自主控制、移動(dòng)地理坐標(biāo)框架特點(diǎn)的車載式近景目標(biāo)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件包。系統(tǒng)集成了新近發(fā)展的多種傳感器，可以實(shí)時(shí)地完成載體的GPS定位數(shù)據(jù)、建筑物的激光掃描數(shù)據(jù)以及CCD影像數(shù)據(jù)的采集。相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件包具有如下功能：后處理GPS數(shù)據(jù)，提供載體的地理位置、速度和傳感器的坐標(biāo)和方位；后處理激光掃描數(shù)據(jù)，提供建筑物的距離、高度或?qū)挾饶酥撂卣骶€；后處理CCD影像數(shù)據(jù)，提供經(jīng)過糾正的建筑物的立面紋理；建立建筑物的三維模型，實(shí)現(xiàn)建筑物的三維重建。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件主要由DGPS、LS、CCD三種傳感器、系統(tǒng)控制器以及汽車構(gòu)成。作業(yè)示意框圖如圖1所示。

由3臺車載GPS接收機(jī)和1臺基站接收機(jī)構(gòu)成GPS差分系統(tǒng)，按照一定的采樣頻率接收信號，以為LS和CCD提供定位和定向數(shù)據(jù)。LS在垂直于行駛方向作二維掃描，以汽車行駛方向作為運(yùn)動(dòng)維，構(gòu)成三維掃描系統(tǒng)。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理，用以提取相對建筑物的攝影距離、高度和寬度乃至特征線。CCD提供數(shù)字影像，經(jīng)糾正后形成建筑物的紋理，并構(gòu)成建筑物三維模型。而系統(tǒng)控制器則用于設(shè)備的接口、同步、控制，數(shù)據(jù)的采集、記錄和傳輸。

系統(tǒng)以汽車為運(yùn)載平臺，車內(nèi)緊靠駕駛室設(shè)有較寬敞的工作臺，其上安置有以工控機(jī)為主的控制系統(tǒng)。車頂安裝有堅(jiān)固座架，特制的集成傳感器的安裝平臺安裝在座架上。CCD、LS、DGPS安置在安裝平臺的相應(yīng)位置。安裝平臺由下支架和上支架兩部分組成。各支架均使用U83的鋼管。下支架與座9架固連，其上裝有3個(gè)DGPS接收天線，上支架相對下支架有360°旋轉(zhuǎn)自由度，以適應(yīng)不同方位目標(biāo)的CCD攝像與LS的掃描。上支架3的中部裝有激光掃描儀LS及其防護(hù)罩，上支架兩側(cè)分別設(shè)有托板，每個(gè)托板上裝有2臺CCD數(shù)碼相機(jī)箱體，上箱體上還裝有攝像機(jī)。上箱體相對下箱體有50°旋轉(zhuǎn)仰俯角，以對高層建筑物上部攝像。所有控制線路密封地與車內(nèi)工控機(jī)相聯(lián)接。

1.1 DGPS接收機(jī)

汽車頂部3臺DGPS接收機(jī)用以實(shí)時(shí)測定激光掃描儀系統(tǒng)LS和數(shù)碼相機(jī)CCD的空間位置。使用專門建立的室外試驗(yàn)場（或室內(nèi)試驗(yàn)場），預(yù)先精密地測定了DGPS、LS和CCD的相對三維位置。

該系統(tǒng)選用NovAtel DL-4-L1/L2型GPS接收機(jī)，其后處理動(dòng)態(tài)精度10mm±0.002mm，原始數(shù)據(jù)輸出頻率和位置輸出頻率為20 Hz，信號重捕獲時(shí)間為0.5s（L1）、6s（L2），差分速度精度為±0.03m/s，時(shí)間精度為±1.2 ns。選用的GPS-600型天線具有零相位中心及抗電磁波干擾及多路徑誤差的特性。使用自行開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)單歷元相對定位，以獲得平臺上各傳感器的實(shí)時(shí)三維空間位置。

1.2 激光掃描儀

采用RIEGL公司的LMS-Q140-i 80型掃描儀，是一種二維激光掃描儀，在該系統(tǒng)上豎直安裝，進(jìn)行“鉛垂面”掃描。主要用以在動(dòng)態(tài)狀況下測定被攝物體的高度。該掃描儀的主要性能包括：安全級別屬A級；掃描角度為±40°內(nèi)；掃描距離為最小2m，最大350—700 m；標(biāo)稱精度為±（2.5～5）cm；采樣頻率為28kHz；最大掃描速度為40線/s。

1.3 CCD相機(jī)

該系統(tǒng)的CCD數(shù)碼相機(jī)，用以獲取被攝物體的紋理?；诙嗥臻g后方交會的CCD數(shù)碼相機(jī)的精確檢校，是建立該系統(tǒng)的重要技術(shù)組成。據(jù)多次試驗(yàn)，主距與主點(diǎn)坐標(biāo)的檢測中誤差均小于1個(gè)像素，光學(xué)主畸變系數(shù)K1檢測中誤差小于10-11。

該系統(tǒng)選用日本尼康公司的Nikon D1x型數(shù)碼相機(jī)，其主要性能指標(biāo)是：變焦主距為17—25mm和28—70mm；芯片像幅為23.7mm×15.6mm；芯片分辨率為3008×1960像素。

1.4 控制器

該系統(tǒng)控制器為一個(gè)集成化的操作平臺，安置在汽車駕駛員后。主要功能是：對各傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)和關(guān)閉操作，以及對傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)施傳輸和記錄。所采集的數(shù)據(jù)包括數(shù)碼相機(jī)的影像數(shù)據(jù)、激光掃描儀的線陣數(shù)據(jù)以及GPS定位的偽距觀測量和導(dǎo)航電文。數(shù)據(jù)采集電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、研制和優(yōu)化，包括工控機(jī)系統(tǒng)的組成，單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)與傳感器接口及信號連接的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。工控機(jī)系統(tǒng)是采集軟件的硬件平臺和傳感器接口的硬件平臺；單片機(jī)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)拍攝以及GPS同步信號的發(fā)送。

1.5 控制軟件功能

該軟件的主要功能是配合硬件采集系統(tǒng)，完成以下操作：

（1）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；（2）激光掃描儀LMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；（3）數(shù)碼相機(jī)的拍攝控制與采集圖像的存取和傳輸；（4）GPS數(shù)據(jù)與LMS和CCD數(shù)據(jù)的“同步”。

該軟件系統(tǒng)在Win98/2000的搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)下開發(fā)，運(yùn)用較先進(jìn)的多線程技術(shù)解決了海量數(shù)據(jù)采集過程的實(shí)時(shí)、同步和可靠性問題；主要應(yīng)用Win32下的重疊I/O串行通信和并行通信技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)處理與三維建模

在多種傳感器集成的本車載移動(dòng)測量系統(tǒng)中，GPS實(shí)時(shí)提供平臺的運(yùn)動(dòng)軌跡與方位參數(shù)，數(shù)碼相機(jī)CCD以人工設(shè)置的各種參數(shù)連續(xù)進(jìn)行攝像，掃描儀LS按其自有的頻率實(shí)施掃描，以獲得目標(biāo)與掃描儀的相對關(guān)系。由于多種傳感器安置在車上的不同位置，參考坐標(biāo)系統(tǒng)不同，各傳感器采集的數(shù)據(jù)描述復(fù)雜，數(shù)據(jù)的采樣間隔也不一樣，因此對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配與整合。

2.1 GPS數(shù)據(jù)處理

基線解算采用加拿大GrafMov6.03軟件，該軟件具有移動(dòng)基線單歷元解法，可動(dòng)態(tài)初始化。單歷元解算過程中的關(guān)鍵問題是快速解算整周模糊度。數(shù)據(jù)處理中，將三個(gè)接收機(jī)間的固定基線長度作為約束條件，約束整周模糊度的搜索空間，以提高解算速度和可靠性。基線解算具有正算和逆算兩種方法，以盡量減少因失鎖而引起的數(shù)據(jù)丟失。將解算的基線向量作為觀測值，用已知的基線長度作為約束，用附有條件的間接平差單歷元解算天線坐標(biāo)。根據(jù)天線與其他傳感器間的固定關(guān)系解算各傳感器中心的坐標(biāo)。

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理

激光掃描數(shù)據(jù)的處理過程可細(xì)分為數(shù)據(jù)的濾波、糾正、分類和特征提取與建模。采用的處理流程是：（1）從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入原始數(shù)據(jù)，根據(jù)已知參考信息對原始觀測值進(jìn)行概算，將地形數(shù)據(jù)與地物數(shù)據(jù)分離；（2）對地物數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除噪聲和遮擋物（如樹木等）的影響，得到建筑物數(shù)據(jù)；（3）根據(jù)建筑物特征，對連續(xù)掃描的激光測量斷面進(jìn)行整體匹配糾正，得到建筑物特征；（4）根據(jù)糾正信息對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，得到反映建筑物表面幾何特征的三維掃描坐標(biāo)；（5）提取建筑物的高度以至特征線。

2.3 影像數(shù)據(jù)處理

研制了被攝目標(biāo)表面正射投影方向紋理的糾正軟件，以及支持OpenGL映射紋理的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的紋理的重構(gòu)軟件。

該模塊基于視差理論的機(jī)器立體視覺，運(yùn)用車載動(dòng)態(tài)攝像機(jī)對同一景物從不同位置成像獲得立體像對、輔以GPS定位與激光掃描提取框架模型坐標(biāo)，通過各種算法匹配出相應(yīng)像點(diǎn)，從而計(jì)算出視差，然后采用基于數(shù)字近景攝影測量的方法恢復(fù)深度（距離）信息，以提取空間模型的三維坐標(biāo)。在恢復(fù)空間模型的同時(shí)，直接進(jìn)行三維空間信息紋理糾正，并獲得紋理信息。最后，建立基于地面三維測量數(shù)據(jù)的城市環(huán)境與工程建筑物的虛擬現(xiàn)實(shí)表示的數(shù)字近景目標(biāo)三維城市景觀系統(tǒng)。

2.4 三維表達(dá)

為適應(yīng)不同環(huán)境的需要，在三維表達(dá)方面實(shí)現(xiàn)有兩種建模系統(tǒng)，即基于地面CCD影像的建模系統(tǒng)和基于地面與空中影像相結(jié)合的建模系統(tǒng)。

依據(jù)三維空間建模的方法不同，本系統(tǒng)軟件具有以下三個(gè)功能：

（1）在不具備定位控制基準(zhǔn)信息的前提下，僅利用CCD相機(jī)獲取的影像，利用立體像對的空間關(guān)系，并通過相對控制條件的引入，實(shí)施光束法平差，建立空間三維模型。（2）在引入GPS空間定位數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)和CCD相機(jī)影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用空間的起算基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，解算基于此起算標(biāo)準(zhǔn)的空間三維模型坐標(biāo)，再建立真實(shí)三維模型。（3）利用空地一體，即基于空中遙感影像與地面控制點(diǎn)，解算和提取模型框架的空間三維坐標(biāo)，并輔與地面?zhèn)让娴募y理影像，建立可視化、可量測化真三維模型。使用本系統(tǒng)所制作的山東科技大學(xué)青島校區(qū)可視化三維模型，其中圖（a）為低俯角圖，圖（b）為高俯角圖。

3 結(jié)語

（1）集成多臺全球定位系統(tǒng)GPS接收機(jī)、二維激光掃描系統(tǒng)LS及多臺CCD相機(jī)，構(gòu)建了一種新穎的車載式城市信息快速獲取系統(tǒng)。（2）該系統(tǒng)聯(lián)同空對地觀測手段，特別是低空傾斜影像航空攝影測量手段，構(gòu)成了數(shù)字城市真三維建模的完整技術(shù)，以較高的作業(yè)效率為特點(diǎn)。（3）本系統(tǒng)在多傳感器的集成、車內(nèi)實(shí)時(shí)控制器硬軟件的設(shè)計(jì)與制作以及基于建筑物平行線組的單片攝像建模的理論與實(shí)現(xiàn)等方面的研究工作，對數(shù)字城市的實(shí)現(xiàn)有明顯的作用。

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