馬小偉，高 磊，冉 磊，龔書林，熊建華，雷月敏

(1. 昆明市測繪研究院，云南 昆明 650093； 2. 武漢海達數(shù)云技術有限公司，湖北 武漢 430223)

中海達·開啟智時代

利用全景移動測量系統(tǒng)進行城市專題數(shù)據(jù)提取

馬小偉1，高 磊1，冉 磊1，龔書林2，熊建華1，雷月敏2

(1. 昆明市測繪研究院，云南 昆明 650093； 2. 武漢海達數(shù)云技術有限公司，湖北 武漢 430223)

本文通過全景移動測量系統(tǒng)采集的高精度高密度三維激光點云和高分辨率的全景影像，研究自動化和半自動化提取城市專題數(shù)據(jù)，包括公路交通、城市園林、市政設施和廣告牌等，具體包括道路邊線、行道樹、路燈、垃圾箱、道路標志線和廣告牌等；提出解決海量點云和全景影像的存儲和高效訪問問題，通過各類專題數(shù)據(jù)的空間形態(tài)分布特征和激光反射強度屬性，研究進行自動化和半自動化提取所對應的算法。

1 作業(yè)工藝流程

采用全景移動測量系統(tǒng)進行城市專題數(shù)據(jù)采集提取，需要根據(jù)不同類型專題圖數(shù)據(jù)標準的要求，探索總結作業(yè)工藝流程。如圖1所示。

圖1 作業(yè)工藝流程

1.1 基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集

為保證數(shù)據(jù)采集精度的可靠性，以及后續(xù)對精度驗證比對的方便性，GPS基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采用昆明市CORS站點，選取離測區(qū)最近的CORS站。CORS詳細要求：①獲取CORS基站全天靜態(tài)數(shù)據(jù)；②采樣間隔要求1 s；③CORS基站W(wǎng)GS-84坐標。

1.2 全景移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的主要環(huán)節(jié)有基站架設、設備安裝、數(shù)據(jù)采集、裝備拆卸、基站拆卸、設備維護6個方面。

1.3 高精度數(shù)據(jù)融合糾偏

針對GPS信號差地區(qū)，通過全站儀采集控制點，使用系統(tǒng)配套POS糾偏功能進行POS軌跡糾偏。糾偏控制點可以來源于大比例尺高精度線劃圖或全站儀測量控制點。根據(jù)專題圖精度要求，在GPS信號差的位置，沿道路每隔500 m布設一個控制點，拐彎位置需要增加控制點。

1.4 工程數(shù)據(jù)檢查

檢查內容包括點云精度、全景影像與點云配準精度、全景影像質量、全景數(shù)目一致、測區(qū)覆蓋情況、工程之間疊加檢查等。

1.5 內業(yè)專題數(shù)據(jù)提取

內業(yè)提取基于全景移動測量系統(tǒng)配套的點云測圖建庫ArcGIS插件軟件進行，首先使用自動化和半自動化提取工具進行批量采集提取，然后手工檢查錯提和漏提，完成圖形和基本屬性提取之后，再進行屬性錄入。

1.6 外業(yè)調繪

外業(yè)實地調繪檢查時，需繪制草圖并填寫調繪表。內業(yè)根據(jù)調繪草圖和填寫的調繪表，進行內業(yè)成圖和屬性錄入。

2 自動化半自動化提取算法

2.1 道路邊線自動化提取

將道路類型劃分為高速公路、一般路。高速公路以應急車道外側的道路標線作為目標分析；一般路以隔離帶和馬路牙作為目標分析。下面以馬路牙分析為例進行算法步驟描述：①讀取掃描圈軌跡數(shù)據(jù)，獲取激光掃描儀軌跡點Ps1、Ps2、…、Ps100，讀取分析前100掃描圈點云，分析每圈點云離行駛方向水平垂足投影最近的點，得到地面點Pg1、Pg2、…、Pg100，用掃描儀軌跡點和地面點統(tǒng)計掃描儀離地面平均高度Hs；②獲取軌跡線右側掃描圈點云，在掃描圈上從軌跡投影點向右依次分段(8 cm一段，馬路牙高度，可以配置)分析法向量，法向量垂直認為是地面點，分析獲取整個右側掃描圈，如果法向量接近水平，則保存記錄點集、所在圈號、法向量(ScanVertical掃描豎線)；③按掃描圈順序分析所有圈點云，獲取所有掃描圈內部的ScanVertical掃描豎線，對掃描豎線進行鄰域分析，如果相鄰掃描線存在縱向1 m以上相鄰的掃描豎線，并且高度都接近8 cm，則認為是馬路牙的掃描豎線ScanCurb；④根據(jù)提取的馬路牙點云，分析獲取道路邊線。

2.2 路邊停車位自動化提取

路邊停車位分布在行車道右側道路邊緣位置，具有停車位標線畫定標記，停車位標線框有固定大小和特征。下面描述提取算法分析步驟：① 根據(jù)激光掃描頭POS軌跡線，分析獲取掃描頭離地面高度值；②提取一定高度、長度容差范圍的地面點，并過濾車輛、行人等噪點，獲取地面點；③根據(jù)POS軌跡線，進行左右切割劃分，提取行駛方向右側地面點云；④根據(jù)點云反射強度，對右側點云進行二分聚類，提取停車位標線點云；⑤將標線點云數(shù)據(jù)進行XOY平面投影，生成強度灰度圖，作二值化、平滑處理；⑥根據(jù)灰度圖像素進行收縮、膨脹、霍夫變換，提取線圖形；⑦按POS方向，將線數(shù)據(jù)劃分為垂直POS方向和水平POS方向，根據(jù)水平線和垂直線計算交點初步得到停車位；⑧過濾較短線，去除重復冗余線，轉換三維線數(shù)據(jù)；⑨三維線根據(jù)包圍盒是否相交，剔除冗余重復對象，剔除壓蓋POS軌跡線的對象；⑩將前后相鄰停車位共邊的規(guī)整統(tǒng)一，根據(jù)國標規(guī)范，進行臨近規(guī)整，最終輸出停車位三維線成果。

2.3 車道標線自動化提取

不同等級類型道路車道虛線和車道實線寬度有國家標準《道路交通標志和標線》(GB 5768—2009)。車道標線提取算法步驟如下：①根據(jù)激光掃描頭POS軌跡線和掃描圈點云，分析獲取掃描頭離地面高度值、掃描圈XOY平面投影線與行使POS軌跡夾角；②根據(jù)掃描頭離地面高度值，按掃描圈提取分析提取地面點云；③根據(jù)地面點云，使用點云強度進行特征，提取路面標志標線點云；④將掃描圈內部分段的標志標線點云進行POS橫斷面方向投影，投影長度接近10、15、20 cm寬度的高強度掃描段點云進行保留，初步認為是車道實線、車道虛線；⑤按掃描圈順序依次分析內部車道虛實線，如果前后相鄰掃描圈存在連續(xù)1.8 m以上的車道虛實線，則認為是最終的車道標線；⑥根據(jù)車道標線點云，提取標線中心線(如圖2所示)。

圖2 車道標線自動化提取

2.4 行道樹自動化提取

行道樹沿道路兩旁分布，靠近慢車道的人行道上或綠化隔離帶中，包含樹干、樹冠部分，樹干近圓柱狀，樹冠是沿樹干成發(fā)散狀。其提取分析算法步驟為：①讀取激光掃描頭POS軌跡線，以POS軌跡線進行左右緩沖(緩沖距離可配置)，得到分析范圍；②將點云三維空間進行規(guī)則平面網(wǎng)格劃分(默認網(wǎng)格大小3 m×3 m，根據(jù)行道樹間距情況進行配置)，根據(jù)空間關系進行判斷，保留POS緩沖范圍的網(wǎng)格；③遍歷目標范圍網(wǎng)格，依次查詢讀取每個網(wǎng)格范圍內點云，將點云按Z方向從低到高等距離(0.5 m)切割劃分格網(wǎng)內點；④對格網(wǎng)內部切割劃分的點云進行特征分析，底部塊點云符合人行道路面及樹根特征、中間1個以上切割柱體符合樹干特征、頂部向下1個以上切割柱體符合樹冠發(fā)散特征的，則認為是行道樹；⑤使用中間包含樹干部分的切割柱體的點云，進行5 cm斷面切割，對切割點云進行平面投影，擬合獲取平面坐標位置和樹干直徑。

2.5 垃圾箱半自動化提取

鑒于垃圾箱數(shù)目有限，形狀多樣，考慮采用半自動化方式提取，采用俯視圖手工拉框垃圾箱周邊點云，程序自動計算中心位置，并計算長寬高屬性。其提取分析算法步驟如下：①獲取用戶框選范圍的點云集合；②對點云集合按Z坐標進行排序，獲取Z值最小的5%底部點云，用5%底部點云粗略計算地面高度，高處5%點云的最低點作為垃圾桶頂部高度H2；③按Z方向對目標點云集合進行切割，切割間距3 cm，沿Z方向從下往上遍歷各個切割段，如果達到某個高度后切割段點云突然減少，并穩(wěn)定一段高度(大于40 cm)，則認為突變處為垃圾桶底部H1；H2-H1即垃圾桶的高度；④獲取垃圾桶底部以上第3個切割段點云，作為筒身點云；⑤使用筒身點云，進行平面投影，特征查找矩形、圓、橢圓，將查找到的一個或多個矩形、圓、橢圓，求外接多邊形,根據(jù)外接多邊形求長度寬度，如果查找擬合矩形、圓、橢圓失敗，則認為此處不是垃圾桶。

3 結束語

本文使用全景移動測量系統(tǒng)對城市專題數(shù)據(jù)進行了外業(yè)采集和內業(yè)提取，減輕了傳統(tǒng)測量外業(yè)采集工作量和勞動強度，提高了工作效率，內業(yè)處理提取軟件集成自動化和半自動化提取算法工具，提高了內業(yè)生產(chǎn)效率。通過試驗區(qū)采集處理驗證了其可大幅度提高生產(chǎn)效率，可為城市專題圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)更新提供更便捷有效的解決方案，可進行更大范圍應用推廣。

(本專欄由中海達和本刊編輯部共同主辦)