利用車載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行地物特征提取與三維建模方法探究

朱文軍 時(shí)會(huì)省 任若菡

（河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450015）

1 引言

空間信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高效獲取是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，激光掃描技術(shù)為實(shí)時(shí)獲取高分辨率的三維空間信息提供了一種全新技術(shù)手段，使人們從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，使數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化、智能化成為可能[1]。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，利用多傳感器集成系統(tǒng)可以進(jìn)行全方位、高精度的空間數(shù)據(jù)采集，為地理信息系統(tǒng)、數(shù)字城市和智慧城市數(shù)據(jù)的采集提供全面、可靠、高效的方式。多種傳感器獲取的數(shù)據(jù)之間往往存在互補(bǔ)性，但是數(shù)據(jù)含有較多噪聲，難以提取形體信息，即拓?fù)潢P(guān)系[2]。地面車載移動(dòng)測量系統(tǒng)的優(yōu)勢是直接和地理空間數(shù)據(jù)庫相連接，實(shí)時(shí)采集的幾何和屬性信息能直接在地理空間數(shù)據(jù)庫中記錄和更新[3]。因此，利用多傳感器獲取多源數(shù)據(jù)融合方法來建立3D 模型一直是人們關(guān)注的核心問題。

2 技術(shù)流程

車載激光掃描方法是建立三維城市模型最具發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)獲取手段，可以用于三維城市模型的建立，以及自動(dòng)車輛導(dǎo)航、建筑物測繪、道路網(wǎng)測繪、交通信號管理、車輛行駛速度和停車場地違規(guī)現(xiàn)象監(jiān)測、高速公路路面測繪等[4]，能在較短時(shí)間內(nèi)重復(fù)測繪各類對象，目前已成為更新GIS 空間數(shù)據(jù)庫的重要手段。

利用車載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行地物特征提取與三維建模的基本流程如圖1 所示。首先，根據(jù)已知信息對原始觀測值進(jìn)行坐標(biāo)解算；其次，對高污染的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分類處理，去除測量噪聲、遮擋物如樹木等影響，得到地物數(shù)據(jù)；再次，根據(jù)地物特征，對連續(xù)掃描的激光測量斷面進(jìn)行整體匹配糾正，根據(jù)糾正信息對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，得到反映地物表面幾何特征的三維掃描坐標(biāo)；最后，對處理后的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與三維可視化處理[5]。

圖1 激光掃描數(shù)據(jù)處理流程

從激光掃描儀中接收的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，處理后才能使用。首先將二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為文本數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步處理LS 數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云計(jì)算、斷面處理、特征點(diǎn)探測、建模點(diǎn)提取等，最后成果為一系列建模點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需格式，最重要的是對各掃描點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)解算，得到其三維坐標(biāo)，為后續(xù)處理提供數(shù)據(jù)。從激光掃描儀中接收的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，要先將二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為文本數(shù)據(jù)。

假設(shè)汽車沿直線平穩(wěn)行駛，掃描儀中心與地面距離為固定值，汽車不顛簸，以掃描儀中心初始位置為原點(diǎn)，天頂方向?yàn)閦軸，汽車前行方向?yàn)閤軸，y軸垂直于xz平面，如圖2 所示。

圖2 激光掃描坐標(biāo)示意

按照上述坐標(biāo)定義方式，所有掃描點(diǎn)的坐標(biāo)均是相對于掃描儀中心起始位置的坐標(biāo)。根據(jù)上述信息對掃描點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)解算。

以該建筑物為研究目標(biāo)，得到相機(jī)采集的原始影像及側(cè)面掃描原始點(diǎn)云，如圖3 所示。利用車載移動(dòng)測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，GPS 實(shí)時(shí)提供掃描儀運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)參數(shù)。掃描儀按照固定的時(shí)間間隔掃描目標(biāo)，獲得目標(biāo)與掃描儀的相對關(guān)系。由于系統(tǒng)采用的傳感器安置在車上固定平臺(tái)的不同位置，選取的坐標(biāo)不同，各傳感器采集的數(shù)據(jù)描述復(fù)雜、品種多樣、測量內(nèi)容和精度不同、數(shù)據(jù)采樣間隔不同，且各傳感器測得的原始數(shù)據(jù)都混有噪聲數(shù)據(jù)，因此開展數(shù)據(jù)處理，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和融合才能計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖3 建筑物原始影像及側(cè)面掃描原始點(diǎn)云

GPS 數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用處理軟件實(shí)現(xiàn)單歷元相對定位，獲取平臺(tái)位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描儀與GPS 的固定關(guān)系求取掃描中心的位置（軌跡）和掃描平面的姿態(tài)。處理軟件的原理是：利用基準(zhǔn)站與主天線間的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分單歷元解算主天線坐標(biāo)；采用適合姿態(tài)測量的模糊度OTF 解算方法，用相位平滑偽距差分解提供模糊度搜索中心；單歷元解算三個(gè)天線的姿態(tài)，從而求得掃描儀的姿態(tài)和掃描中心坐標(biāo)。GPS 數(shù)據(jù)流為6 個(gè)外方位元素，包括接收時(shí)間、X、Y、H及航向角、俯仰角、橫滾角三個(gè)姿態(tài)角。最后對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行空間整合、時(shí)間整合、姿態(tài)改正等解算目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)濾波處理

激光掃描儀為無合作目標(biāo)測量，直接測量儀器到目標(biāo)的距離，主動(dòng)發(fā)射測量信號，并不依賴外界氣候條件，具有快速、實(shí)時(shí)、高精度、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。但激光數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理卻因沒有提供目標(biāo)信息而受限。在缺乏物方影像和必要知識的情況下，很難對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識別等自動(dòng)智能化處理。另外，激光掃描儀對空間信息的采集具有一定的盲目性，影響數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中提取地面高程模型（DTM/DEM），需要將其中的地物數(shù)據(jù)點(diǎn)去掉，稱其為濾波；要進(jìn)行地物提取、建筑物重建等，需要對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以區(qū)分植被數(shù)據(jù)和人工地物數(shù)據(jù)。

在某種意義上，濾波也是一種分類，只不過分類具有更詳細(xì)的分類標(biāo)識[6]。濾波算法主要有Pauta 準(zhǔn)則和信息熵粗差探測法，經(jīng)過多種方法相結(jié)合進(jìn)行濾波后，大部分非建筑物點(diǎn)已被剔除掉，整個(gè)點(diǎn)云圖看起來比較“干凈”。掃描儀數(shù)據(jù)仍含有許多小擾動(dòng)引起的異常數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步處理以提取建筑物特征點(diǎn)。

3.3 地物特征點(diǎn)提取

在數(shù)字圖像工程中，邊緣檢測和特征提取是數(shù)字圖像分析和理解的關(guān)鍵。應(yīng)用領(lǐng)域特征不同，提取方法也不同。傳統(tǒng)特征提取是從圖像灰度和幾何形狀進(jìn)行提取。從航空遙感影像自動(dòng)提取建筑物是攝影測量與遙感領(lǐng)域的難題，也是計(jì)算機(jī)視覺與圖像理解的重點(diǎn)。

目前，利用激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行地物提取和三維重建的方法主要有：從高空間分辨率的數(shù)字表面模型中自動(dòng)提取規(guī)則地物模型；聯(lián)合多光譜影像和激光掃描數(shù)據(jù)，即利用地面三維新系 統(tǒng)光譜輻射信息融合進(jìn)行地物提?。蝗诤系孛娑S平面位置數(shù)據(jù)和激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模；基于分析機(jī)載激光掃描點(diǎn)云的矩不變提取地物頂層的平面信息來進(jìn)行地物重建；利用形態(tài)學(xué)處理激光掃描數(shù)據(jù)的高程和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，基于空間平面約束方法等，探測和分離出地物進(jìn)行建筑物重建。

本文基于車載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行激光數(shù)據(jù)處理，目的是從掃描點(diǎn)密集的距離影像挖掘幾何形體特征。在離散點(diǎn)中挖掘線形信息的方法較多，如霍夫變換、線性回歸、分段線性擬合等。其中，最重要的是探測特征點(diǎn)，將提取的特征點(diǎn)連接成直線、曲線，或者通過一定直線、曲線擬合這些點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)分析特征線和形體。針對建筑物的特征，結(jié)合傳統(tǒng)的特征提取方法，基于建筑物幾何特征進(jìn)行信息挖掘。在進(jìn)行特征點(diǎn)探測的同時(shí)，也對掃描點(diǎn)進(jìn)行整體糾正。

首先，直接對所要分析的觀測值進(jìn)行分群：

理論上，對連續(xù)掃描的地物，同一立面上同一角度的掃描點(diǎn)應(yīng)該處于同一高度、同一條直線上，根據(jù)這一點(diǎn)可以對具有相同掃描角的掃描點(diǎn)進(jìn)行分段線性擬合，提取地物的平面輪廓，同時(shí)進(jìn)行掃描點(diǎn)的糾正，得到特征點(diǎn)和各掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

具體方法為：將同一立面同一角度的掃描點(diǎn)投影到xy 二維平面，組成一系列平面數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些點(diǎn)按一定順序記錄和存儲(chǔ)。對于數(shù)據(jù)鏈中的各點(diǎn)，可以從其前面和后面各取一定數(shù)目的點(diǎn)組成一個(gè)鄰域，求出當(dāng)前點(diǎn)的前面數(shù)據(jù)組的重心位置及后面數(shù)據(jù)組的重心位置，進(jìn)而求得數(shù)據(jù)點(diǎn)局部發(fā)展方向，由這兩個(gè)方向求出一個(gè)夾角，設(shè)定好一個(gè)閾值，若該夾角未超出這個(gè)閾值，那么當(dāng)前點(diǎn)判定為非特征點(diǎn)，直到可疑特征點(diǎn)出現(xiàn)，如圖4 所示。以這些特征點(diǎn)為界，對相鄰特征點(diǎn)之間的掃描點(diǎn)進(jìn)行直線擬合和形體信息挖掘，即將兩個(gè)相鄰特征點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚合在一起，用最小二乘估計(jì)法做線性回歸擬合線段，從而得到表示建筑物的特征點(diǎn)與線。把所有觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)處理完畢，二次計(jì)算可疑特征點(diǎn)，得到最終特征點(diǎn)（每一條直線段端點(diǎn)）。然后以這些特征點(diǎn)為界劃分原始觀測值，把每段內(nèi)的原始觀測數(shù)據(jù)聚合在一起作線性回歸擬合，可得同一測區(qū)同一立面同一角度各點(diǎn)組成的線性回歸模型。

圖4 可疑特征點(diǎn)點(diǎn)云

根據(jù)擬合結(jié)果反過來修正原始觀測點(diǎn)的距離值，可以得到經(jīng)過糾正后的掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)，如圖5 所示，是經(jīng)過整體糾正之后的部分掃描點(diǎn)點(diǎn)云圖。

圖5 整體糾正后的部分掃描點(diǎn)點(diǎn)云

4 三維建模與可視化

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)、CAD/CAM等領(lǐng)域，普遍需求是對物體表面性狀的描述，即完成三維物體的幾何建模，包括對物體的形狀及其外表（紋理、顏色、表面反射系數(shù)）的描述。

數(shù)字城市建設(shè)中，建筑物與市政設(shè)施的三維重建是重要工作。在從既有目標(biāo)影像中提取三維信息、構(gòu)造三維實(shí)體的幾何模型方面，解析與數(shù)字?jǐn)z影測量的方法已較成熟。目前，建筑物重建方法一般分基于幾何的建模、基于圖像的建模、基于幾何和圖像的混合建模。

生成具有真實(shí)感的三維景觀圖，需在城市地形模型表面和建筑物模型表面粘貼真實(shí)紋理（紋理反映像素灰度的空間變化特征，是分布在整個(gè)圖像或圖像中某一區(qū)域具有規(guī)律性排列的圖形）影像，這樣不僅能給出現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)直觀的表達(dá)，讓數(shù)字化數(shù)據(jù)的表現(xiàn)更符合人的直覺，更真實(shí)可信，還能彌補(bǔ)3D 幾何模型表現(xiàn)不出的詳細(xì)信息，豐富幾何圖形的細(xì)節(jié)和材質(zhì)屬性。

在攝影測量與遙感領(lǐng)域，影像紋理數(shù)據(jù)的來源主要有航空攝影像片、衛(wèi)星遙感像片、地面攝影像片、激光掃描儀、Laser Range Finder 和CCD 相機(jī)的結(jié)合、移動(dòng)測繪系統(tǒng)等。不同來源的影像紋理可描述不同類型的城市空間現(xiàn)象或同一空間現(xiàn)象的不同部分（如建筑物的屋頂和立面），它們相互補(bǔ)充，構(gòu)成對3D 城市模型各個(gè)側(cè)面的整體描寫。前者可用作3D 城市模型中地面和建筑物頂部的紋理，后者作為建筑物立面的紋理。

通過上述計(jì)算，得到最終的三維重采樣點(diǎn)，并以此為建模點(diǎn)直接參與三維建模。在VisualC++環(huán)境下，將三維點(diǎn)轉(zhuǎn)化為DFX 格式的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入AutoCAD 或?qū)I(yè)建模工具3DSMax 進(jìn)行建模。將CCD 紋理數(shù)據(jù)與建筑物三維模型匹配，利用場景編輯軟件實(shí)現(xiàn)建筑物的三維可視化。圖6 是實(shí)驗(yàn)建筑物的三維場景圖，道路及樹木采用模擬數(shù)據(jù)。

圖6 建筑物三維場景

5 結(jié)束語

目前，激光測量技術(shù)蓬勃發(fā)展，已成為地球空間信息學(xué)等領(lǐng)域熱點(diǎn)。車載激光掃描系統(tǒng)與機(jī)載激光掃描系統(tǒng)雖都利用激光掃描儀獲取地形地物三維數(shù)據(jù)，由激光點(diǎn)云提取地物特征，但兩者有較大區(qū)別。前者能夠提取地物詳細(xì)的立面信息，后者能夠提取地物的頂面信息。前者掃描點(diǎn)密度遠(yuǎn)大于后者。機(jī)載激光掃描儀在獲取大范圍數(shù)據(jù)時(shí)有較大優(yōu)勢，在需要獲取立面詳細(xì)信息時(shí)，如詳細(xì)的數(shù)字城市三維模型和數(shù)字小區(qū)，車載激光掃描系統(tǒng)則更有優(yōu)勢。兩者硬件系統(tǒng)均較成熟而數(shù)據(jù)處理算法相對滯后。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷成熟，數(shù)據(jù)處理算法不斷完善，作為對地觀測的三維信息快速獲取技術(shù)，激光掃描技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。