□成功

（山西省基礎(chǔ)地理信息院，山西太原030001）

IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)對(duì)全景影像數(shù)據(jù)的采集與處理方法

□成功

（山西省基礎(chǔ)地理信息院，山西太原030001）

本文主要介紹了IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成，以及運(yùn)用該系統(tǒng)獲取城市全景影像數(shù)據(jù)的原理。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)操作流程的詳細(xì)說(shuō)明，闡明采集和處理全景影像數(shù)據(jù)的方法。在對(duì)數(shù)據(jù)的后處理過(guò)程中，結(jié)合同步獲取的坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，很好地將全景影像數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，為城市的發(fā)展和地理信息數(shù)據(jù)的運(yùn)用提供了一種快速有效的應(yīng)用途徑。

IP-S2；車(chē)載激光掃描；全景影像；點(diǎn)云

1.IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)簡(jiǎn)介

IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)是一種與時(shí)間同步并且集成了雙頻GPS/GLONASS接收機(jī)（內(nèi)置于IP-S2主機(jī)）、IMU（慣性測(cè)量單元）、激光掃描器、車(chē)輪編碼器、全景數(shù)碼相機(jī)等各種傳感儀器的系統(tǒng)。是建設(shè)城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)及其實(shí)時(shí)快速更新的現(xiàn)代化設(shè)備系統(tǒng)，也是其他具備汽車(chē)通行條件附近進(jìn)行三維測(cè)量和建模的高新設(shè)備[1]。

運(yùn)用IP-S2激光掃描儀獲取的全景影像數(shù)據(jù)是由頂部的六臺(tái)環(huán)繞式照相機(jī)同步采集所得，采集照片像素、清晰度、曝光度可以根據(jù)天氣、采光等因素自行調(diào)節(jié)，以確保照片質(zhì)量的清晰。全景照片數(shù)據(jù)也是帶有坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)后處理階段所生成的照片信息文件同時(shí)帶有轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)，可以與實(shí)際的道路位置匹配，有了這些坐標(biāo)信息，就可以將照片和行車(chē)路徑統(tǒng)一在一個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行街景漫游。同時(shí)，6臺(tái)廣角照相機(jī)所拍攝的即時(shí)照片有多種瀏覽方式和存儲(chǔ)方式，同一時(shí)間點(diǎn)位上拍攝的照片可以形成全景照片形式，也可以形成單個(gè)方向的獨(dú)立照片，這就對(duì)后期應(yīng)用提供了很大的方便[2]。

2.全景影像數(shù)據(jù)的采集方法

2.1 設(shè)備安裝與參數(shù)設(shè)置

使用IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行原數(shù)據(jù)的采集，需要的主要硬件設(shè)備：IP-S2激光掃描儀；作業(yè)車(chē)輛；GPS接受儀GR-3；腳架以及外業(yè)已知控制點(diǎn)；主要軟件設(shè)備：GEOCLEAN；WORKSTATION[3]。

2.1.1 安裝IP-S2激光掃描儀到作業(yè)車(chē)輛頂部

長(zhǎng)期非作業(yè)狀態(tài)下，IP-S2主機(jī)是放在一個(gè)設(shè)備專(zhuān)用箱內(nèi)存放，該主機(jī)毛重50KG，凈重35KG。在地面做好主設(shè)備的底座的鏈接加固后，再安裝至車(chē)輛頂部，用專(zhuān)用螺絲進(jìn)行加固。

2.1.2 連接纜線

纜線連接包括：電源電纜、天線電纜、數(shù)據(jù)接收電纜和輪式編碼器電纜，與對(duì)應(yīng)的主機(jī)端口進(jìn)行連接。

2.1.3 參數(shù)設(shè)置

整個(gè)數(shù)據(jù)獲取過(guò)程是由系統(tǒng)配置的筆記本電腦控制完成的，對(duì)筆記本電腦控制的軟件運(yùn)行環(huán)境、各要素參數(shù)都要進(jìn)行設(shè)置，主要包括：掃描儀精度設(shè)置、掃描距離設(shè)置、掃描間距設(shè)置、相機(jī)曝光度設(shè)置、相機(jī)對(duì)比度設(shè)置和相片分辨率的設(shè)置[4]。

對(duì)激光掃描儀和廣角鏡頭照相機(jī)各參數(shù)設(shè)置完成并運(yùn)行正常后，方可進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描和全景照片數(shù)據(jù)采集。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過(guò)程可以分為彩色全景影像數(shù)據(jù)采集（一個(gè)含6臺(tái)廣角鏡頭照相機(jī)的相機(jī)組，即環(huán)繞四周5臺(tái)，1臺(tái)面向天頂）和點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)采集（一個(gè)含3臺(tái)激光掃描儀的掃描儀組，即左右各一臺(tái)垂直掃描儀，一臺(tái)面向后方的水平掃描儀）。兩種數(shù)據(jù)采集可固定完成，也可以關(guān)閉其中一種，只采集另一種數(shù)據(jù)。掃描行車(chē)速度要控制在30—40km/h，以保證掃描數(shù)據(jù)的精度和密度，同時(shí)保證全景照片的清晰度，避免照片拉絲。整個(gè)掃描過(guò)程需在道路邊線和道路中心線行駛，可短暫停車(chē)，停車(chē)時(shí)數(shù)據(jù)接收暫停，車(chē)輛啟動(dòng)后仍可繼續(xù)搜集掃描數(shù)據(jù)。掃描單段數(shù)據(jù)結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)文檔進(jìn)行編號(hào)和存檔，以便數(shù)據(jù)的后處理。

第1階段

第2階段

第3階段

第4階段

3.全景影像的數(shù)據(jù)處理

利用IP-S2車(chē)載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè)，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，得到的數(shù)據(jù)有兩種形式：一種是全景照片流，另一種是帶有坐標(biāo)信息的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后運(yùn)用軟件對(duì)影像進(jìn)行姿態(tài)信息的提取，得到全景數(shù)碼照片及相匹配的坐標(biāo)文件，具體操作流程如下：

后處理使用的原始數(shù)據(jù)主要是數(shù)據(jù)獲取采集階段形成的IPS-INFO.JSON、IPSJOB.JSON、RAW.ZPS、RAW.PRE.ZPS四個(gè)文件。該設(shè)備系統(tǒng)的后處理過(guò)程包括如下內(nèi)容：

3.1 GNSS+IMU解析

所謂GNSS+IMU解析就是綜合固定基站，作業(yè)車(chē)輛移動(dòng)的GPS天線按一定時(shí)間接收的WGS-84空間大地坐標(biāo)和慣性導(dǎo)航姿態(tài)及位置參數(shù)的綜合處理過(guò)程。其運(yùn)行時(shí)WORKSTATION APP通過(guò)設(shè)備配置的綜合處理軟件的解析計(jì)算，最后形成文件，即POSES.IPZ POSES.KML和GPS.KML。

*.KML文件是可以在GOOGLE EARTH上安裝使用的，進(jìn)行有關(guān)檢測(cè)形成路線情況的。GPS.KML是綜合解析處理之前的位置信息文件。POSS.KML和POSES.IPZ是經(jīng)過(guò)綜合解析后的位置信息，可用于GOOGLE EARTH顯示和純二進(jìn)制結(jié)果的文件。這些結(jié)果將作為全景照片的位置信息和其他處理參數(shù)使用。

3.2 全景照片的影像匹配

在確定了照片的匹配分辨率和算法之后，通過(guò)該處理可以將6臺(tái)相機(jī)同步拍攝的6張照片嚴(yán)密鑲嵌拼接為一張全景照片并進(jìn)行壓縮儲(chǔ)存，形成LB-PICS.IPS照片二進(jìn)制文件。

3.3 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

在進(jìn)行必要的預(yù)先設(shè)置（如：坐標(biāo)系統(tǒng)、經(jīng)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、輸出文件格式確認(rèn)、掃描型號(hào)）后，即可開(kāi)始處理，最后將處理點(diǎn)云結(jié)果儲(chǔ)存在規(guī)定的輸出文件名中。

其基本內(nèi)容為X、Y、Z、I、R、G、B，若非彩色點(diǎn)云，RGB值均為128。

3.4 使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在軟件開(kāi)始執(zhí)行前要進(jìn)行必要的參數(shù)輸入，經(jīng)核準(zhǔn)確認(rèn)后方可執(zhí)行。如果形成的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)文件過(guò)大，為防止受容量限制不能正常運(yùn)行，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，分塊數(shù)據(jù)按規(guī)定文件名稱(chēng)格式取名（不能隨意取名）。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中若有RGB彩色信息則要選中相應(yīng)的選擇框。最后形成的數(shù)據(jù)文件名為后綴CL3且與數(shù)據(jù)文件同名的文件。

3.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的屏幕顯示

這種顯示是通過(guò)IMAGE MASTER軟件實(shí)現(xiàn)的，其顯示的文件為通過(guò)坐標(biāo)軟件處理后的CL3文件。顯示結(jié)果可為RGB也可為全色。

3.6 對(duì)掃描儀的精度檢測(cè)

進(jìn)行精度檢測(cè)使用的軟件也是IMAGE MASTER，選定至少兩個(gè)已測(cè)出其相應(yīng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值并以文本形式輸入其文件中。再通過(guò)點(diǎn)擊點(diǎn)云畫(huà)面的相應(yīng)點(diǎn)并進(jìn)行畫(huà)面檢測(cè)。啟動(dòng)執(zhí)行軟件，最后會(huì)有相應(yīng)的三維坐標(biāo)值，及其分量差、平距差、斜距差等顯示出來(lái)。如有多個(gè)點(diǎn)則可分別兩兩成對(duì)檢測(cè)。此步可分別選擇后、左、右三個(gè)掃描儀掃描范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)其分別進(jìn)行精度檢測(cè)。

3.7 對(duì)后、左、右三臺(tái)掃描儀垂直方向坐標(biāo)系統(tǒng)一致性的檢測(cè)

在讀入三臺(tái)掃描儀經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件將原始數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成等于直角坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過(guò)IMAGE MASTER顯示右、后掃描儀掃描數(shù)據(jù)，用鼠標(biāo)分別選中后、右掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別讀取其DZ值，若小于10厘米則符合要求。

經(jīng)過(guò)IP-S2相關(guān)軟件處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可精確地給地物（建筑物、公路、建工設(shè)施等）進(jìn)行定位并清晰立體的展現(xiàn)地物的形狀及結(jié)構(gòu)，在專(zhuān)業(yè)軟件下可量測(cè)建筑物等實(shí)物的實(shí)際尺寸和高度，為地物的成形起到了決定性的作用。

4.全景影像數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用

全景影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用極其廣泛，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面[5][6][7]：

4.1 高速、便捷完成對(duì)街景立體影像的采集，并建立影像庫(kù)，每一站點(diǎn)均提供六副影像，保證無(wú)死角，可以從任意角度查看周?chē)闆r。

4.2 實(shí)現(xiàn)直接從影像上讀取點(diǎn)坐標(biāo)，精度達(dá)到毫米級(jí)，通過(guò)我們的照相機(jī)矢量技術(shù)可直接生成三維點(diǎn)坐標(biāo)，并可通過(guò)軟件內(nèi)部自動(dòng)在影像上添加特征點(diǎn)坐標(biāo)，方便查看。

4.3 實(shí)現(xiàn)城市道路兩旁資產(chǎn)管理，包括沿街部件，店面招牌、廣告牌、建筑立面等，可直接量測(cè)距離和長(zhǎng)度。

4.4 對(duì)海量影像數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢、（部件）標(biāo)注、測(cè)量、并能將影像上的部件和部件數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)內(nèi)容鏈接，同步顯示屬性信息。

4.5 可直接在影像上進(jìn)行數(shù)字化操作，方便三維數(shù)據(jù)管理。

4.6 可根據(jù)需要，在影像圖上直接添加三維標(biāo)準(zhǔn)，如路燈、樹(shù)木等。

4.7 實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng)操作，在影像上點(diǎn)取某點(diǎn)，二維平面圖同步顯示點(diǎn)位，支持拓?fù)潢P(guān)系的建立。

4.8 根據(jù)需要在三維影像上，添加網(wǎng)格，便于距離和高度的量測(cè)。

【1】李德仁.移動(dòng)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].地理空間信息，2006，4（4）:1-5.

【2】徐占華，朱圣,龍川.車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)分類(lèi)及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].科技資訊,2013（11）: 48-49.

【3】易延光，黃洪彬.車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2011，39（3）: 284-285.

【4】張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社.2007.

【5】徐進(jìn)軍，張民偉.地面三維激光掃描儀:現(xiàn)狀與發(fā)展[J].測(cè)繪通報(bào)，2007（l）:47-50.

【6】趙光俊，謝偉光.移動(dòng)實(shí)景測(cè)圖系統(tǒng)在三維數(shù)字電網(wǎng)構(gòu)建中的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪, 2013,29（3）:16-19.

【7】何昌清，李趙，劉東麗，李勝.車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城市部件調(diào)查中的應(yīng)用[J].測(cè)繪, 2013,36（5）:216-217.

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2095-7319（2014）06-0086-04

成功（1981—），男，山西省長(zhǎng)治人，工程師，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與數(shù)字城市項(xiàng)目建設(shè)等工作。