基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景可量測(cè)技術(shù)研究

張擁軍，劉建明，高照根，肖鵬，田茂榮，高璐

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

?

基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景可量測(cè)技術(shù)研究

張擁軍，劉建明，高照根，肖鵬，田茂榮，高璐

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

車載激光掃描系統(tǒng)集成激光雷達(dá)掃描技術(shù)、定位定向技術(shù)、全景獲取技術(shù)于一身，可同時(shí)獲取空間三維信息以及紋理信息，在數(shù)字城市信息化建設(shè)中發(fā)揮重要作用。該文通過(guò)分析車載激光掃描數(shù)據(jù)成果，將激光點(diǎn)云作為空間量測(cè)支撐數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景可量測(cè)功能，在文中詳細(xì)的闡述可量測(cè)原理以及實(shí)現(xiàn)實(shí)景量測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，并基于DirectX開(kāi)發(fā)出可量測(cè)實(shí)景應(yīng)用實(shí)例，為可量測(cè)實(shí)景服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

實(shí)景三維；可量測(cè)實(shí)景；深度圖；車載激光點(diǎn)云

激光掃描技術(shù)的誕生，極大地推動(dòng)了空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)發(fā)展，許多基于激光掃描技術(shù)的新興測(cè)繪手段應(yīng)運(yùn)而生。車載激光掃描系統(tǒng)作為激光掃描技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，集成了激光掃描儀、數(shù)碼全景相機(jī)、高精度差分POS系統(tǒng)(GPS，IMU)等硬件設(shè)備，可同時(shí)獲取空間三維信息以及全景影像，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)手段獲取數(shù)據(jù)單一方面的不足[1-5]。而且，車載激光掃描系統(tǒng)依托城市道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取十分精細(xì)的城市景觀信息，為城市信息化建設(shè)提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6-17]?？闪繙y(cè)實(shí)景影像是指一體化集成融合管理的時(shí)空序列上的具有相片絕對(duì)方位元素的航空/航天/地面立體影像的統(tǒng)稱[18-22]。車載激光掃描系統(tǒng)作為可量測(cè)實(shí)景數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之一，依托激光掃描數(shù)據(jù)作為空間數(shù)據(jù)，通過(guò)與全集影像配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)實(shí)景量測(cè)功能，該文將詳細(xì)闡述基于激光掃描數(shù)據(jù)的實(shí)景量測(cè)技術(shù)原理，并基于DirectX開(kāi)發(fā)出實(shí)景量測(cè)實(shí)例。

1 實(shí)景量測(cè)技術(shù)

目前利用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可量測(cè)實(shí)景主要采取2種技術(shù)模式，即近景攝影測(cè)量模式和激光點(diǎn)云加全集影像模式：

1.1 車載激光掃描數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

車載激光掃描系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)包括激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及全景相片數(shù)據(jù)，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為具有真實(shí)空間三維坐標(biāo)的點(diǎn)集合，可設(shè)置常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)，全景數(shù)據(jù)采用常規(guī)圖片格式存儲(chǔ)，并附有全景拍攝瞬間的空間位置以及姿態(tài)信息(Xs,Ys,Zs,a,β，γ)，攝影機(jī)參數(shù)可以從相關(guān)文件獲取。

1.2 基于近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量方式主要依托移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在不同時(shí)刻拍攝的全景圖像構(gòu)建立體像對(duì)，通過(guò)2張相片的攝影中心與同名點(diǎn)射線計(jì)算物方坐標(biāo)，其核心原理采取攝影測(cè)量共線方程[3]。

共線方程公式1：

旋轉(zhuǎn)矩陣方程公式2：

式中：(Xs,Ys,Zs)為攝影瞬間全景相機(jī)位置；(a,β,γ)為拍攝姿態(tài)，R為3個(gè)姿態(tài)角的旋轉(zhuǎn)矩陣；(ai,bi,ci)為旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)。

1.3 基于車載激光點(diǎn)云

車載激光點(diǎn)云經(jīng)過(guò)解算之后獲取的是與真實(shí)地物相一致的真三維坐標(biāo)，可作為可量測(cè)實(shí)景的背景空間數(shù)據(jù)，即通過(guò)單一相片獲取射線方向，射線與激光點(diǎn)云相交獲得像素的真實(shí)三維坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 量測(cè)示意圖

式中：S(X,Y,Z)為攝影中心，P(x,y)為像素坐標(biāo)，即像素行列號(hào)，P(X,Y,Z)為真實(shí)地物點(diǎn)。全景球代表以攝影機(jī)中心為圓心，任意長(zhǎng)度為半徑，由全集相片“包裹”的具有紋理的球面，球上任意一點(diǎn)只具有方位意義，不具備空間坐標(biāo)，與魚(yú)眼鏡頭原理近似。

由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量十分龐大，并且無(wú)任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此該文中采用深度圖技術(shù)代替點(diǎn)云進(jìn)行量測(cè)。

2 深度圖技術(shù)

2.1 深度圖概念與作用

深度圖以攝影機(jī)拍攝瞬間空間位置S為圓心，以指定長(zhǎng)度R為半徑，通過(guò)投影生成的圖像，圖像中各像素代表該方向點(diǎn)云與攝影中心距離，因此深度圖又可稱為距離圖像。

深度圖計(jì)算過(guò)程中，可以通過(guò)全景相片姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也可假定正方向，即豎直向上為Z，正北方向?yàn)閅軸，與Y軸垂直方向?yàn)閄軸，滿足右手法則，此時(shí)與全景進(jìn)行匹配測(cè)量時(shí)需要將全景圖片旋轉(zhuǎn)至正方向。如上文分析，全景球中全景圖片像素只具有方位意義，即與攝影中心連接形成射線，而深度圖具有距離意義，使得射線既有方向又有長(zhǎng)度，則可獲取三維坐標(biāo)信息。

2.2 深度圖計(jì)算方法

該文中采取假定正方向方式進(jìn)行計(jì)算，避免在全集顯示過(guò)程中二次改正。核心步驟如下：

(1)獲取指定范圍點(diǎn)云。由于全景相片存在光學(xué)非線性畸變，使得距離越遠(yuǎn)畸變?cè)酱?，而且距離越遠(yuǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在遮擋越多，因此需設(shè)定指定范圍R，方法如下：針對(duì)點(diǎn)云集和?={p1,p2,p3…pi…pn}進(jìn)行計(jì)算，判斷點(diǎn)pi是否滿足Δi=pi-S

(2)計(jì)算點(diǎn)pi(pi∈Φ)的方向角φi(φi∈[0，360])以及高度角θi(θi∈[0，180])。

(3)量化角度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格投影。利用設(shè)定的角度分辨率σ進(jìn)行量化，計(jì)算投影圖像行列號(hào)，并將距離Δi作為灰度值di附加到投影網(wǎng)格P(rawi，coli)的灰度值集合D={d1,d2,d3…di…dn}。

(5)依據(jù)角分辨率作為圖像分辨率進(jìn)行圖像生成。該文中采取TIFF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度存儲(chǔ)。

3 實(shí)例分析

該文中基于C#與DirectX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，依照該文中提出理論進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一套全景量測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景可量測(cè)。

3.1 實(shí)例展示

該實(shí)驗(yàn)以濟(jì)南市山大南路某段車載激光掃描數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 原始全景圖像

圖3 點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為深度圖

圖4 實(shí)景量測(cè)效果(線桿上藍(lán)色細(xì)線)

圖5 量測(cè)所用深度圖

其中圖2為全景鏡頭拍攝全景影像原始數(shù)據(jù)，圖3為利用該文提出深度圖技術(shù)生成的點(diǎn)云深度圖，圖4為相鄰2個(gè)站點(diǎn)同一區(qū)域圖片，圖5為圖4對(duì)應(yīng)區(qū)域的深度圖。

3.2 實(shí)例分析

通過(guò)對(duì)該實(shí)例的研究，驗(yàn)證了該文提出的方案實(shí)現(xiàn)了實(shí)景影像量測(cè)功能，并得出以下結(jié)論：

(1) 圖3展示了深度圖技術(shù)計(jì)算結(jié)果，黑色區(qū)域?yàn)闊o(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域；高亮區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)，亮度越高說(shuō)明點(diǎn)云距離攝影中心越大。圖像內(nèi)像素呈現(xiàn)離散狀態(tài)，與點(diǎn)云密度正相關(guān)，與深度圖格網(wǎng)呈負(fù)相關(guān)。

(2) 通過(guò)圖3與圖2對(duì)比說(shuō)明通過(guò)相機(jī)POS數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)深度圖與全景圖像配準(zhǔn)，解決了深度圖分辨地物能力較弱問(wèn)題，為實(shí)景量測(cè)打下基礎(chǔ)。

(3) 圖4左側(cè)為站點(diǎn)1，顯示量測(cè)高度為5.06m，圖4右側(cè)為站點(diǎn)2，顯示量測(cè)高度為5.10m，實(shí)地測(cè)量線桿高度為5.1m，另通過(guò)對(duì)比遠(yuǎn)近不同地物量測(cè)發(fā)現(xiàn)，距離越遠(yuǎn)精度越差，出現(xiàn)誤差主要原因如下：① 圖像量測(cè)人為誤差，即手動(dòng)點(diǎn)擊誤差；② 點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差，即點(diǎn)云精度本身誤差；③ 匹配誤差，即由于匹配問(wèn)題產(chǎn)生誤差。

(4) 使用深度圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)景量測(cè)同時(shí)，利用原始點(diǎn)云作為背景數(shù)據(jù)，通過(guò)大量點(diǎn)位量測(cè)證明，使用原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)運(yùn)算次數(shù)極高，明顯產(chǎn)生量測(cè)延遲，效率不如深度圖；通過(guò)點(diǎn)位量測(cè)結(jié)果得出結(jié)論，2種技術(shù)量測(cè)結(jié)果一致。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該文提出的理論實(shí)現(xiàn)了基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景可量測(cè)，并利用深度圖技術(shù)有效解決原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大且效率低下問(wèn)題，但由于點(diǎn)云自身限制、POS數(shù)據(jù)精度等問(wèn)題，使得測(cè)量存在結(jié)果精度不高、量測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題，在今后研究中將結(jié)合近景攝影測(cè)量技術(shù)，利用多站影像構(gòu)建立體像對(duì)，與深度圖聯(lián)合平差運(yùn)算，提高實(shí)景量測(cè)精度。

[1] 李德仁.論可量測(cè)實(shí)景影像的概念與應(yīng)用——從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品[J].測(cè)繪科學(xué),2007,(4):5-7.

[2] 劉建明.基于車載激光掃描數(shù)據(jù)城市三維建模特征提取[D].武漢：武漢大學(xué)，2012

[3] 李德仁,胡慶武.基于可量測(cè)實(shí)景影像的空間信息服務(wù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2007,32(5):377-380.

[4] 李德仁,郭晟,胡慶武.基于3S集成技術(shù)的LD2000系列移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008,37(3):272-276.

[5] 伍百發(fā).移動(dòng)測(cè)量技術(shù)及其在數(shù)字城市中的應(yīng)用[J].國(guó)土資源導(dǎo)刊,2011,(6):90-95.

[6] 季霞,密長(zhǎng)林,蔡振鋒,等.測(cè)繪新技術(shù)與數(shù)字城市建設(shè)發(fā)展關(guān)系探討——以臨沂市為例[J].山東國(guó)土資源,2013,29(10):100-102

[7] 王萬(wàn)峰,杜明義.可量測(cè)實(shí)景影像在城市部件管理中的應(yīng)用[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,(2):31-34.

[8] 鄒鐮釗,張珊珊,張鵬程,等.可量測(cè)實(shí)景影像技術(shù)在林業(yè)和園林管理中的應(yīng)用[A]//中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)[C].2013:133-137.

[9] 楊沾吉.可量測(cè)實(shí)景影像在數(shù)字城管中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2012,(8):36-38.

[10] 包忠聰.基于可量測(cè)實(shí)景影像庫(kù)(DMI)及4D產(chǎn)品的三維數(shù)字高速公路展示系統(tǒng)：以福州市機(jī)場(chǎng)高速為例[A]//第四屆“測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論壇”論文集[C].2012：617-619.

[11] 邵振峰，郭晟，華中雄.城市管理實(shí)景化技術(shù)解決方案[A]// 數(shù)字測(cè)繪與數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2009：70-79.

[12] 羅智，趙威，劉守軍.基于實(shí)景三維GIS和移動(dòng)巡查技術(shù)的公路管理應(yīng)用系統(tǒng)[A]//2009中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)論壇論文集[C].2009：247-255.

[13] 周靜，張書(shū)亮，房彩申.基于可量測(cè)實(shí)景影像的空間服務(wù)研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào),2014,14(3):57-62.

[14] 黃勇，張?chǎng)析?關(guān)于可量測(cè)實(shí)景影像的研究進(jìn)展[J].城市建設(shè)理論研究,2012,(6):64-68.

[15] 陸元良. 道路可量測(cè)實(shí)景影像技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù),2013,10(5):78-81.

[16] 徐瑩，王濤.實(shí)景三維GIS的應(yīng)用前景概述[J]. 城市建設(shè)理論研究,2014,30(4):82-85.

[17] 殷福忠，劉紅軍，張延波.基于移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的城市3維實(shí)景影像信息服務(wù)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2008,31(6):17-23.

[18] 趙云昌，丁瑩瑩，劉建明.車載激光掃描數(shù)據(jù)控制點(diǎn)布設(shè)方案研究[J].山東國(guó)土資源，2014,30(5):67-69.

[19] 胡慶武，郭晟，柳正華，等.基于可量測(cè)實(shí)景影像的數(shù)字公路體系研究[J].公路，2010,(2):95-100.

[20] 王建營(yíng)，劉慶濤，王文江.淺談可量測(cè)實(shí)景影像的引入與數(shù)字城市建設(shè)的關(guān)系[J].城市建設(shè)理論研究,2014,(2):87-92.

[21] 王冬凱.可量測(cè)實(shí)景影像的制作和精度分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2016,(21):56-60.

[22] 張劍清，潘勵(lì)，王樹(shù)根.攝影測(cè)量學(xué)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社,2003.

Research on Digital Measurable Image from Data Based on Vehicle-borne Laser Scanning

ZHANG Yongjun, LIU Jianming, GAO Zhaogen, XIAO Peng, TIAN Maorong, GAO Lu

(Shandong Land Surveying and Mapping Institute, Shandong Jinan 250013, China)

Vehicle-borne laser scanning system integrated laser radar scanning technology, positioning and orientation technology, panoramic image acquisition technology. This could obtain three-dimensional information and texture information at the same time, which play an important role in the digital city informatization construction. In this paper, based on analyzing the results of the vehicle-borne laser scanning data, it achieved real three-dimensional measurement function. This paper elaborated the principles of scalability and achieved real measurement of key technologies. And we developped a scalable real application examples based on DirectX, and laid the foundation for scalable real service.

3D real modeling; digital measurable image; depth image; mobile laser scanning point clouds

2016-09-18；

2017-01-07；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

張擁軍(1967—)，女，山東濟(jì)南人，高級(jí)工程師，主要從事地理省情監(jiān)測(cè)、測(cè)繪技術(shù)等方面的工作；E-mail：490726223@qq.com

P208

B

張擁軍，劉建明，高照根，等.基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)景可量測(cè)技術(shù)研究[J].山東國(guó)土資源，2017,33(4)：71-74. ZHANG Yongjun, LIU Jianming, GAO Zhaogen,etc. Research on Digital Measurable Image from Data Based on Vehicle-borne Laser Scanning[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(4)：71-74.