□成功
(山西省基礎(chǔ)地理信息院,山西太原030001)
IP-S2車載激光掃描系統(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。通過對(duì)系統(tǒng)操作流程的詳細(xì)說明,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;車載激光掃描;全景影像;點(diǎn)云
IP-S2車載激光掃描系統(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]。
2.1 設(shè)備安裝與參數(shù)設(shè)置
使用IP-S2車載激光掃描系統(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,再安裝至車輛頂部,用專用螺絲進(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)掃描過程需在道路邊線和道路中心線行駛,可短暫停車,停車時(shí)數(shù)據(jù)接收暫停,車輛啟動(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
利用IP-S2車載激光掃描系統(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)的綜合處理過程。其運(yùn)行時(shí)WORKSTATION APP通過設(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IMAGE MASTER軟件實(shí)現(xiàn)的,其顯示的文件為通過坐標(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。再通過點(diǎn)擊點(diǎn)云畫面的相應(yīng)點(diǎn)并進(jìn)行畫面檢測(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。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。
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,每一站點(diǎn)均提供六副影像,保證無死角,可以從任意角度查看周圍情況。
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.車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)分類及關(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.
P204
B
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)用開發(fā)與數(shù)字城市項(xiàng)目建設(shè)等工作。