基于三維激光掃描的虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)

李闖 姜海玲 盧宣奇

摘要? 主要闡述利用三維激光掃描系統(tǒng)（以車載三維激光掃描為主）建立虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)（Virtual Reality Geographic Information System）。將三維激光掃描系統(tǒng)的快捷便利等優(yōu)點與VRGIS相結(jié)合，能夠大大提高構(gòu)建地物虛擬現(xiàn)實模型的效率。而三維激光掃描系統(tǒng)在精度上的優(yōu)勢更是能夠提高VRGIS的數(shù)據(jù)可信度。兩者的有機結(jié)合，對未來地理信息系統(tǒng)的全方面發(fā)展和應(yīng)用有著重要的意義。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng);三維激光掃描系統(tǒng);車載激光掃描儀

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）06-063-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.06.029

Virtual Reality Geographic Information System bas？鄄ed on Three？鄄dimensional Laser Scanning

LI Chuang? et al（College of Tourism and Geographical Science， Jilin Normal University， Siping， Jilin 136000）

Abstract The establishment of virtual reality geographic information system based on three？鄄dimensional laser scanning system（dominated by vehicle？鄄mounted three？鄄dimensional laser scanning） was mainly described. Combining the advantages of three？鄄dimensional laser scanning system with VRGIS could greatly improve the efficiency of building virtual reality model of ground objects. The advantage of three？鄄dimensional laser scanning system in precision could improve the reliability of VRGIS data. The organic combination of three？鄄dimensional laser scanning system and VRGIS was of great significance to the development and application of geographic information system in all aspects in the future.

Key words? ?Virtual reality geographic information system; Three？鄄dimensional laser scanning system; Vehicular laser scanner

隨著地理信息科學(xué)的不斷發(fā)展，二維的平面地理數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足用戶的需要，人們迫切地希望GIS計算得到的結(jié)果能夠向著三維立體化方向發(fā)展，擁有更加優(yōu)秀的人機交互[1]。在這一前提下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)脫穎而出，成為地理信息系統(tǒng)未來重要的研究方向之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對圖形顯示的生動直觀以及沉浸式的特點，完全滿足現(xiàn)代用戶對GIS的新需要。而VR與GIS相結(jié)合，更是大勢所趨。

傳統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)無論是矢量數(shù)據(jù)還是柵格數(shù)據(jù)都是二維的，如果利用其作為源數(shù)據(jù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)（Virtual Reality Geographic Information System，VRGIS）有著天然的劣勢。二維數(shù)據(jù)想要形成三維立體的地形結(jié)構(gòu)需要進行一系列復(fù)雜的操作，而在轉(zhuǎn)換過程中因為各式各樣的問題，很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的精確度下降，從而影響VRGIS數(shù)據(jù)的可信度[2]。

為了解決這一問題，研究將引入三維激光掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)生成的點云數(shù)據(jù)不同于矢量與柵格數(shù)據(jù)，本身就是三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。利用點云數(shù)據(jù)作為VRGIS的源數(shù)據(jù)，能夠很好地解決二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)的一系列問題。研究將以實際操作經(jīng)歷為基礎(chǔ)，探討三維激光掃描系統(tǒng)與VRGIS的優(yōu)點與不足，嘗試提出將三維激光掃描系統(tǒng)與VRGIS相結(jié)合的可行性辦法。

1 三維激光掃描系統(tǒng)與VRGIS簡介

1.1 三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)初始于20世紀90年代中期，其原理簡單地說就是利用光的反射性，通過激光回波的不同測量周圍地物特征的一種新型測繪手段[3-4]。與傳統(tǒng)測量模式相比，三維激光掃描能夠快速、全面地獲取空間點位信息，同時快速地建立物體的三維影像，避免了人工操作可能造成的誤差，極大地提高了GIS獲取地物信息的速度。

而如今，三維激光掃描已經(jīng)從固定點位掃描向車載、機載等移動掃描方向發(fā)展，而在其中較為成熟，并且大范圍應(yīng)用的便是車載三維激光掃描系統(tǒng)。車載三維激光掃描儀是將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊（GPS）、慣性測量裝置IMU（Inertial measurement unit，即慣性測量單元，用于測量物體角速度與加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。一般地，一個IMU內(nèi)會放置三軸的陀螺儀和3個方向的加速度計，并放置在儀器的重心上）、里程計（主要用于控制全景相機曝光）、360°全景相機、總成控制模塊以及高性能板卡計算機集成，并將上述設(shè)備固定在汽車特定的平臺上。由于激光的傳播特性，該平臺多放置在車頂偏尾部位置，以避免汽車車體對設(shè)備的遮擋。汽車、三維激光掃描儀、解算軟件，這三部分共同組成了三維激光掃描系統(tǒng)。

1.2 虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)（VRGIS）

虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實與地理信息系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物?，F(xiàn)階段，VRGIS事實上多為VGIS（Virtual Geographic Information System）。VGIS保證了GIS部分的分析功能，但是在VR方面的沉浸性，以及空間分析方面仍舊有所不足。VGIS對硬件的要求不高，在5～10年前硬件水平有限的時期，無疑是最為合適的選擇[5]。但是隨著硬件水平的發(fā)展，以及數(shù)據(jù)源的不斷優(yōu)化，VRGIS架構(gòu)的困難正在一點點被克服。而隨著用戶需求的不斷提升，有必要引入新的數(shù)據(jù)源，建立真正的沉浸式系統(tǒng)。

2 三維激光掃描系統(tǒng)引入VRGIS

2.1 建立虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)的過程

制約VRGIS發(fā)展的主要因素體現(xiàn)在2個方面：圖像顯示問題和數(shù)據(jù)問題。前者受硬件與數(shù)據(jù)源的影響難以建立真正的沉浸式系統(tǒng)，后者龐大的數(shù)據(jù)量以及建立三維數(shù)據(jù)庫等問題一直是遏制VRGIS發(fā)展的主要原因。

事實上，車載激光掃描系統(tǒng)能夠很好地解決VRGIS的圖形顯示問題。首先，車載三維激光掃描系統(tǒng)得出的點云數(shù)據(jù)，本身就是三維的，其不需要像傳統(tǒng)測量得出的數(shù)據(jù)一樣進行多重復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，才能模型化、三維化，在數(shù)據(jù)源方面極大地降低了困難度。

由于硬件方面的限制，VRGIS需要在保證視覺效果的前提下盡量減少數(shù)據(jù)量，但由于數(shù)據(jù)分析方面的要求，關(guān)于地理信息方面的數(shù)據(jù)又必須盡量詳實，這是一個矛盾的問題[6]。不過這方面可以用數(shù)據(jù)庫以及云計算的方式解決。

由于車載激光掃描數(shù)據(jù)（即點云數(shù)據(jù)）擁有可編輯性，可以通過編輯將數(shù)據(jù)量巨大的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對較小的矢量數(shù)據(jù)，即點云數(shù)據(jù)的矢量提取。

經(jīng)過矢量化之后，得到的矢量數(shù)據(jù)遠小于原始點云數(shù)據(jù)，而在這一過程中，也并不用擔(dān)心丟失數(shù)據(jù)的問題，因為所有矢量線條都是可以編輯屬性的，即每一條線條都能夠表示其包含的地理信息。

利用得到的矢量數(shù)據(jù)，便可以編輯建立VRGIS系統(tǒng)。但由于矢量線條的組合并不美觀，在用戶使用時缺乏沉浸感。所以需要對矢量線條進行進一步處理，即利用3DMAX、AutoCAD等軟件進行編輯，將三維的矢量線轉(zhuǎn)化為模型。之后利用全景相機同步拍攝的地物實景照片進行后期的紋理貼覆，就可得到真實的三維地物模型。

建立模型之后，由于模型的框架就是之前提取得出的矢量框架，所以很容易就可以將兩者關(guān)聯(lián)在一起。而矢量框架又是在原始點云的基礎(chǔ)上編輯出來的，所以可以根據(jù)相對位置獲得相對應(yīng)點的信息。而點云數(shù)據(jù)本身存在一個特點，那就是每一個點都包含著所有的地理信息，所以可以用以上的方式獲取模型上任意位置的地理信息。而通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和云計算，用戶硬件所需要加載的只有數(shù)據(jù)量最小的模型數(shù)據(jù)而已。建立虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)的流程如圖1所示。

2.2 車載激光掃描系統(tǒng)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的矢量轉(zhuǎn)化為模型相比，上述方法似乎并沒有什么不同，而且在一定程度上講還要復(fù)雜一些[7]。而車載激光掃描由于提取的矢量完全是沿著點云數(shù)據(jù)的方向，首先可以保證其姿態(tài)的完全正確，建立模型時只需要將建筑物四面有重疊的矢量線疊加在一起，如同拼紙盒子一樣簡單。而且相比于傳統(tǒng)方法，上述得出的模型每一個點都能夠查詢到地理信息，在數(shù)據(jù)的全面性上遠超于傳統(tǒng)方法。所以利用車載三維激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立VRGIS是完全可行的。

2.3 車載激光三維掃描系統(tǒng)引入的問題與解決方案

2.3.1 數(shù)據(jù)冗余，無用數(shù)據(jù)過多 車載三維激光掃描系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)詳細全面，但是同樣的，該系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)量也是驚人的。以筆者曾經(jīng)使用過的Riegl掃描儀為例，其點云數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)速度為1 G/min，高速作業(yè)時行車速度平均為60 km/h，也就是說1 km會生成1 G的數(shù)據(jù)量。而事實上，數(shù)據(jù)中很大一部分是并不需要的多余數(shù)據(jù)，而目前三維激光掃描系統(tǒng)仍無法刪選所獲得的點云數(shù)據(jù)，后期處理也很難直接提取出所需要的地物類型，這也就造成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的龐大，查詢和調(diào)用上的不方便[8]。

以上問題并不容易徹底解決，目前來說，下述方法能夠有效緩解這一問題。其一，建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，利用云儲存的方式儲存大數(shù)據(jù)能夠極大地降低儲存問題。其二，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，建立分布式數(shù)據(jù)庫。隨著云計算的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲問題已經(jīng)得到有效的緩解。但在數(shù)據(jù)冗余度問題解決之前，龐大的數(shù)據(jù)量依舊會成為制約VRGIS發(fā)展的重要問題。

2.3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量時的誤差 點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)一般有2種方式，即自動提取與手動提取。由于技術(shù)的不成熟，手動提取依舊是不可或缺的存在。而無論是自動提取還是手動提取都存在一個問題，提取的矢量和原始點云之間存在一定的誤差，這也就導(dǎo)致了地理信息的不準確。

對于數(shù)據(jù)的大面積自動化處理是必然的發(fā)展方向，而矢量的自動化提取也在迅速發(fā)展。相比于人工手動采集，計算機自動提取速度更快，也能夠避免很多由于視覺誤差造成的細小錯誤[9]。但是由于地形的多變性，現(xiàn)階段的自動提取很難分辨出不規(guī)則地物以及被遮擋位置的地形種類，容易出現(xiàn)一定錯誤。不過相信在不遠的將來，這一問題能夠被解決，使得VRGIS的地理信息擁有更高的可信度。

2.3.3 點云數(shù)據(jù)本身誤差 點云數(shù)據(jù)誤差方面的問題大體分為2種：設(shè)備方面造成的數(shù)據(jù)問題以及后期數(shù)據(jù)處理方面的問題。

三維激光掃描儀對掃描數(shù)據(jù)的定位主要依靠衛(wèi)星定位模塊（GPS）以及慣性測量裝置（IMU）2個部件。而這兩者對工作環(huán)境都有一定的硬性要求。慣性測量裝置IMU在一定程度上能夠輔助GPS進行定位，兩者優(yōu)先級關(guān)系在信號優(yōu)秀時是GPS>IMU。而當信號微弱時，IMU能夠根據(jù)自己所記錄的數(shù)據(jù)對點云進行修正。劇烈搖晃，上下顛簸會使IMU數(shù)據(jù)變得不準確。以上問題多為硬件與外界不可改變的影響，遇到這些問題時，只能盡量使儀器平穩(wěn)，快速地通過影響較大的區(qū)域，以避免造成較大誤差[10]。

后期數(shù)據(jù)處理方面的問題多出自參數(shù)，基站地理坐標不準確等問題。一般遇到這樣的誤差問題時，多采用后期點云數(shù)據(jù)糾正的方法。利用點云糾正，可以確保點云數(shù)據(jù)的準確性，一般只要提供的控制點（即用手持RTK采集點）數(shù)據(jù)足夠準確，點云的地理信息精度可達到3 cm以下，完全可以滿足大部分工程的需要。而以點云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，也能夠保證VRGIS系統(tǒng)在數(shù)據(jù)方面的可信度。

3 結(jié)論

現(xiàn)如今，三維激光掃描儀正向著小型化、便攜化方向發(fā)展，未來將在考古規(guī)劃與墓穴建模、戰(zhàn)場實時指揮以及遺址修復(fù)與建模上得到很好的應(yīng)用。

相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式，三維激光掃描系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)速度快，得到的數(shù)據(jù)精確度高，其數(shù)據(jù)本身即三維化，相比于傳統(tǒng)測量方法的二維數(shù)據(jù)有著無法比擬的優(yōu)勢。所以將三維激光掃描系統(tǒng)引入VRGIS之中，是有意義且有必要的。

人們對信息獲取的方式是在不斷變革的，由文字到圖像，由圖像到立體，由立體到沉浸化是必然的發(fā)展方向。而作為一種與時俱進的學(xué)科，地理信息科學(xué)也必然會隨著用戶習(xí)慣的改變而向著沉浸式虛擬現(xiàn)實的方向發(fā)展。所以，VRGIS是大勢所趨，在未來的很長一段時間，VRGIS都將會成為地理信息科學(xué)的重點研究方向。

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