王岳文，周良恩，許立本

(寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波 315800)

車載三維移動(dòng)立體影像采集系統(tǒng)的集成及應(yīng)用

王岳文*，周良恩，許立本

(寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波 315800)

車載移動(dòng)激光測(cè)量技術(shù)已成為當(dāng)今測(cè)量研究的熱點(diǎn)。本文介紹了車載三維立體影像采集系統(tǒng)的組成部分、工作原理和后期系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，通過實(shí)例論述了系統(tǒng)在數(shù)字竣工測(cè)量等方面的應(yīng)用。

激光掃描；移動(dòng)測(cè)量；三維立體重建

1 引 言

伴著激光技術(shù)的發(fā)展和成熟，激光掃描儀本身具有的很高的測(cè)量效率、精度的特點(diǎn)在工程測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，成了又一種獲取三維空間信息的新的技術(shù)手段。在實(shí)際測(cè)量中，往往遇到的情況趨于多樣、多變、復(fù)雜化。而且測(cè)量不同項(xiàng)目有不一樣的要求，為了滿足不同測(cè)量項(xiàng)目的需求，催生了不同類型、不同組合方式、不同搭載平臺(tái)的激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的誕生。按激光掃描測(cè)量系統(tǒng)搭載平臺(tái)的不同，亦可分為機(jī)載、星載以及地面激光掃描測(cè)量系統(tǒng)等[1]。各種搭載平臺(tái)各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如，機(jī)載或星載傳感器來采集地面目標(biāo)，由于距離和角度的問題無法準(zhǔn)確地采集到近距離的景物的三維目標(biāo)信息。為了解決這個(gè)問題，迫切的需要可移動(dòng)的地面近景激光掃描系統(tǒng)，于是車載激光掃描系統(tǒng)成為現(xiàn)階段熱門的研究方向。

地面三維激光雷達(dá)(Terrestrial Laser Scanning，TLS)是20世紀(jì)90年代突破的一種快速獲取三維空間信息的技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于測(cè)繪技術(shù)行業(yè)。它具有高精度、高效率、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槿诤狭思す恻c(diǎn)云能真實(shí)反映目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、形狀、顏色，為測(cè)量目標(biāo)的識(shí)別分析提供了更為豐富的研究內(nèi)容[2]。因?yàn)槠浍@取空間數(shù)據(jù)的快速、高精度特點(diǎn)符合了測(cè)繪發(fā)展的趨勢(shì)，滿足了空間信息獲取和表達(dá)的需要，因此在眾多工程應(yīng)用領(lǐng)域顯現(xiàn)出了技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，引發(fā)了新的技術(shù)革命。

隨著科技的進(jìn)步，獲取三維空間信息的手段也呈現(xiàn)多樣化，不同傳感器搭載不同的平臺(tái)，目的就是更好、更快、更準(zhǔn)確地獲取三維空間信息?，F(xiàn)以高速地面三維激光雷達(dá)用作核心傳感器，并以GPS和IMU進(jìn)行激光掃描傳感器定位定姿的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)已成為對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充[3]。它具有分辨率高、精度高、操作方便、靈活的觀測(cè)時(shí)間、成圖周期短、作業(yè)效率高、能進(jìn)行連續(xù)和動(dòng)態(tài)測(cè)量等一系列的優(yōu)點(diǎn)[4]。實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景的快速三維重建和高精度三維測(cè)量；同時(shí)采用靜動(dòng)態(tài)相結(jié)合激光掃描測(cè)量方式，可實(shí)現(xiàn)密集城市中建筑竣工、地面管線測(cè)量、地形圖測(cè)量等工作，進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字化城市的建設(shè)。

2 車載三維立體影像采集系統(tǒng)

2.1 車載三維立體影像采集系統(tǒng)的組成

車載三維立體影像采集系統(tǒng)是一個(gè)高集成度、高自動(dòng)化的采集系統(tǒng)，利用多種不同型號(hào)傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊地物的三維空間信息的數(shù)據(jù)和實(shí)景數(shù)據(jù)的獲取。其系統(tǒng)主要由全景圖像采集模塊、POS采集模塊、激光掃描數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)控制模塊等幾個(gè)主要部分組成[5]。如圖1所示：

圖1 車載三維立體影像采集系統(tǒng)的硬件組成

(1)激光掃描數(shù)據(jù)采集模塊：配置兩臺(tái)激光掃描儀來分別獲取車輛兩邊的地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)(RIEGL VZ-400)及地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)(LMS-Q120i)。

(2)全景圖像采集模塊：用于同步獲取影像，提供豐富的場(chǎng)景紋理信息。全景影像采集系統(tǒng)由8個(gè)CCD相機(jī)構(gòu)成。

(3)POS模塊：主要組成部分分為全球定位系統(tǒng)(GPS)及慣性測(cè)量單元(IMU)，為了獲取掃描裝置實(shí)時(shí)的空間姿態(tài)和空間位置。

(4)集成控制模塊：用于在車載三維立體影像采集系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)內(nèi)部同步交互與控制。

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)視等系統(tǒng)：裝配顯示器用于監(jiān)視車輛運(yùn)行測(cè)量路線和內(nèi)容，配備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等必要設(shè)備。

通過對(duì)車載三維立體影像采集系統(tǒng)的調(diào)研，確定整個(gè)系統(tǒng)的配置(包括激光掃描儀、全景相機(jī)、POS系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等型號(hào)及其隨機(jī)軟件)，完成詢價(jià)和相應(yīng)采購任務(wù)，搭建系統(tǒng)。集成后的系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 車載三維立體影像采集系統(tǒng)的系統(tǒng)集成

為了實(shí)現(xiàn)城市和道路兩側(cè)的主要街道等3D場(chǎng)景的自動(dòng)快速采集，車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要集成各種傳感器，包括：全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光測(cè)距掃描儀(LS)、慣性測(cè)量單元(IMU)、CCD陣列數(shù)碼相機(jī)、矢量、線陣CCD數(shù)碼相機(jī)[6]。全球定位系統(tǒng)獲得可靠的空間信息；慣性測(cè)量單元測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的信息；二維激光掃描儀獲取周邊地物的平面輪廓線；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪等工序與其他傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算、匹配，提取出地物明顯的特征點(diǎn)、要素點(diǎn)，擬建出周邊道路及街景的三維模型，然后通過相機(jī)獲取的實(shí)景照片對(duì)三維模型的表面紋理進(jìn)行糾正。

2.2 車載三維立體影像采集系統(tǒng)高精度標(biāo)定

車載三維移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的IMU和GPS僅僅只獲取了車輛行駛的軌跡及姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后將該信息傳遞給激光掃描儀，大量的空間信息是通過多臺(tái)的CCD相機(jī)組成的測(cè)量系統(tǒng)獲得。然而，由于激光掃描儀的中心和慣導(dǎo)中心之間的不統(tǒng)一，同時(shí)IMU姿態(tài)，它不能準(zhǔn)確地反映激光掃描儀的態(tài)度，因此有必要準(zhǔn)確地校準(zhǔn)激光掃描儀的6個(gè)參數(shù)，即3個(gè)平移參數(shù)(反應(yīng)慣導(dǎo)中心與掃描儀中心位置關(guān)系)以及3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(反應(yīng)IMU姿態(tài)與激光掃描儀的姿態(tài)關(guān)系)[7]。想要實(shí)現(xiàn)三維車載激光掃描系統(tǒng)高精度的絕對(duì)標(biāo)定，需要通過建立車載三維激光掃描系統(tǒng)的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩ㄎ荒Ｐ?，并引入羅德里格矩陣到激光掃描儀的外參數(shù)解算中。此外，系統(tǒng)中由GPS、IMU、RIEGL VZ-400組成的三維激光掃描成像系統(tǒng)的外方位元素標(biāo)定問題，而LMS-120i的標(biāo)定方式與VZ-400等方法類似。

(1)全景相機(jī)的高精度標(biāo)定。利用高精度的數(shù)據(jù)成像模型進(jìn)行標(biāo)定，獲取正確的空間投影關(guān)系。建立360°控制場(chǎng)進(jìn)行全景相機(jī)的高精度標(biāo)定，借助全景大視野可觀測(cè)完整的場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，充分利用物方已知的幾何關(guān)系(如建筑物平行、垂直輪廓線)，采用基于物方先驗(yàn)知識(shí)的標(biāo)定算法。

(2)三維激光掃描儀的高精度標(biāo)定。采用剛體變換法和基線比較法進(jìn)行系統(tǒng)誤差的檢校，對(duì)于生成點(diǎn)云質(zhì)量有影像的因素，進(jìn)行集中、系統(tǒng)的綜合分析和比對(duì)，建立科學(xué)的數(shù)字模型形成一套實(shí)用的地面三維激光雷達(dá)檢校和標(biāo)定方法，同時(shí)建立檢校場(chǎng)。

(3)車載三維立體影像采集系統(tǒng)的聯(lián)合標(biāo)定。即點(diǎn)云與影像的高精度融合技術(shù)。車載三維立體影像采集系統(tǒng)的聯(lián)合標(biāo)定結(jié)果直接決定了采集系統(tǒng)外方位元素的精度和可靠性，也直接關(guān)系到后期數(shù)字產(chǎn)品的精度和可靠性。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按不同顏色賦值分類，便于我們實(shí)際操作時(shí)的辨別與分析。車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時(shí)采集周圍地物及相關(guān)的影像數(shù)據(jù)與車載系統(tǒng)得到的空間坐標(biāo)匹配，獲得精確的實(shí)際空間位置及現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景。

3 車載三維立體影像采集系統(tǒng)移動(dòng)測(cè)量

3.1 GPS基站架設(shè)

解算的精度與車載GPS觀測(cè)條件、車載IMU測(cè)量精度、GPS基站觀測(cè)條件、GPS基站與車輛距離、GPS基站架設(shè)的已知點(diǎn)坐標(biāo)精度等有關(guān)。作業(yè)前GPS基站以靜態(tài)觀測(cè)模式在車載POS數(shù)據(jù)開始采集之前提前幾分鐘開啟，并于車載POS數(shù)據(jù)采集完畢后延遲幾分鐘關(guān)閉。

3.2 激光點(diǎn)云與全景影像數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前對(duì)行進(jìn)路線進(jìn)行合理規(guī)劃，檢查各儀器設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況是否良好，車輛本身是否正常；提前了解衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，防止GPS授時(shí)錯(cuò)誤。車輛前去作業(yè)時(shí)，停止一段時(shí)間，以便POS系統(tǒng)進(jìn)行初始化。在前往測(cè)區(qū)過程中，選擇一條GPS觀測(cè)條件較好的直線道路行駛一段時(shí)間。當(dāng)車輛抵達(dá)掃描時(shí)，適當(dāng)提前采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在合適的地方將工程數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)分隔。最終的點(diǎn)云精度，受車輛行進(jìn)過程中的GPS觀測(cè)條件影響較大。在GPS失鎖條件下，盡量不進(jìn)行高精度的測(cè)量，在條件較差區(qū)域可利用周邊觀測(cè)條件較好的地方，每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次POS觀測(cè)修正，使數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償。

在作業(yè)過程中，沿車輛行進(jìn)方向上，當(dāng)VZ-400向右側(cè)掃描時(shí)，車輛盡量向左行駛；當(dāng)VZ-400向左側(cè)掃描時(shí)，車輛盡量向右側(cè)行駛，掃描角度視現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及時(shí)調(diào)整，避免較大的缺漏和遮擋。

道路數(shù)字360°全景實(shí)景影像是以flash形式嵌入網(wǎng)頁或地圖網(wǎng)站，制作出街景影像視頻，并與傳統(tǒng)地圖相結(jié)合，作為網(wǎng)站二維矢量地圖、三維仿真地圖和遙感衛(wèi)星影像的補(bǔ)充，以作業(yè)人員視線的角度，將客觀世界的最直觀和最真實(shí)的影像呈現(xiàn)給社會(huì)公眾。街景影像地圖功能主要包括：向左旋轉(zhuǎn)、向右旋轉(zhuǎn)、仰視、俯視、近看、遠(yuǎn)看、自動(dòng)播放以及全屏展示等。道路數(shù)字360°全景實(shí)景影像制作主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

全景相機(jī)在固定頻率對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行拍攝。進(jìn)入測(cè)區(qū)拍攝前，需進(jìn)行影像預(yù)覽，調(diào)整影像色調(diào)和亮度，進(jìn)行白平衡。數(shù)據(jù)采集需要綜合考慮天氣狀況、道路交通擁擠狀況、周邊環(huán)境等因素，一般選擇在天氣晴朗時(shí)。采集的數(shù)據(jù)以*.pgr格式文件形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)磁盤上。

在外業(yè)采集完畢后，仍需要將車輛停止一段時(shí)間，保證POS精度。對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢查，及時(shí)下載數(shù)據(jù)并備份。重要設(shè)備在使用前進(jìn)行固定安裝，使用完成后及時(shí)取下，按時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，防止日曬雨淋。

3.3 道路點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.3.1 激光點(diǎn)云定位定向

需要利用Waypoint軟件對(duì)車載POS數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，獲得車輛的空間位置。激光點(diǎn)云定位定向處理前，首先將車載GPS數(shù)據(jù)和IMU進(jìn)行分離，將分離出來后的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算。需要利用GPS的差分基本原理來解算定位，差分改正可以獲取高精度結(jié)果。利用已知的精確坐標(biāo)點(diǎn)上的建立地面站和衛(wèi)星的星歷進(jìn)行比較，計(jì)算獲得基準(zhǔn)站與星間的距離改正數(shù)，還可以用GPS設(shè)備采集基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，比較基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)及觀測(cè)坐標(biāo)獲得同一個(gè)點(diǎn)的位置改正數(shù)[8]。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)定位之后，根據(jù)計(jì)算獲得的GPS天線坐標(biāo)和激光掃描儀處的坐標(biāo)信息。GPS天線偏心分量實(shí)測(cè)得到；IMU偏心分量和IMU與激光掃描儀相對(duì)位置取標(biāo)定資料提供的值。將聯(lián)合定位信息加入RiScan Pro軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，獲得激光掃描儀車載模式的行跡文件，確定每一個(gè)激光點(diǎn)的坐標(biāo)值，對(duì)整個(gè)點(diǎn)云文件進(jìn)行定向。

3.3.2 全景影像數(shù)據(jù)處理

數(shù)字全景影像數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示：

圖3 全景影像數(shù)據(jù)處理流程

3.4 基于點(diǎn)云的道路竣工圖繪制

3.4.1 點(diǎn)云處理過程

采用City Scene點(diǎn)云綜合處理軟件對(duì)不同屬性的地物進(jìn)行區(qū)分抽稀后，結(jié)合CAD的可視化窗口分析判斷點(diǎn)云的方法，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云處理流程

3.4.2 不同地物的矢量化繪制

(1)線狀地物繪制

①對(duì)于進(jìn)行抽稀過后的數(shù)據(jù)按不同高程區(qū)間的特征將其區(qū)分繪制，如圖5、圖6中柵欄的繪制。

圖5 原始點(diǎn)云示例

圖6 按高程分割后點(diǎn)云示例

②與周邊地物有一定高程差異特征的線狀地物根據(jù)高程特征直接繪制，如圖7中道路邊線的繪制。

圖7 道路邊線繪制示例

③對(duì)于無明顯高程差異的現(xiàn)狀地物需要現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)修正繪制。

(2)點(diǎn)狀地物繪制

對(duì)于點(diǎn)狀地物繪制，為了避免提取時(shí)的錯(cuò)誤，利用高程差異的特點(diǎn)先將其分離。如果點(diǎn)陣列數(shù)超過4列的點(diǎn)狀地物，需如圖8、圖9所示進(jìn)行偏心繪制。

圖8 點(diǎn)狀地物(路燈)繪制示例

圖9 點(diǎn)狀地物(路燈)偏心繪制示例

(3)高程注記

首先點(diǎn)云直接按照高程裁切，然后高程注記可以提取裁切點(diǎn)進(jìn)行注記，如圖10所示。

圖10 高程注記獲取示例

(4)復(fù)雜區(qū)域地物繪制

如果現(xiàn)場(chǎng)地形地貌比較復(fù)雜，可以先提取復(fù)雜區(qū)域再進(jìn)行投影，使用切面等方式繪制，繪制流程如圖11～圖13所示。

圖11 原始點(diǎn)云

圖12 分離后點(diǎn)云

圖13 分離投影后點(diǎn)云

4 應(yīng) 用

(1)地形測(cè)量。利用車載激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三類地物，解決野外非居民地的大面積成圖。采用靜態(tài)方法解決二類地物與一類地物的測(cè)量工作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)快速處理。

(2)道路竣工測(cè)量。利用車載激光雷達(dá)完成道路和橋梁的快速數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)學(xué)精度的基礎(chǔ)上生成高密度DEM，改進(jìn)現(xiàn)有作業(yè)成果，減少人工測(cè)量工作，同時(shí)內(nèi)業(yè)快速繪制數(shù)字線劃圖。

(3)利用靜態(tài)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)城市建筑物竣工測(cè)量，白模型的快速生成與高分辨率高精度紋理貼圖，生成竣工成果所需要的數(shù)字線劃圖。擬利用車載激光雷達(dá)在城市建成區(qū)快速三維建模，實(shí)現(xiàn)建筑物與道路、橋梁白模型的快速生成與高分辨率高精度紋理貼圖。實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)可視化建模和紋理的可量測(cè)性。

(4)地理部件采集。利用車載激光雷達(dá)快速采集道路兩側(cè)的市政部件和地理要素，實(shí)現(xiàn)路燈、窨井等部件的快速提取與分類，確定部件的坐標(biāo)位置，為各類地理部件的快速更新服務(wù)。

5 總 結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建筑、環(huán)境的多樣化、復(fù)雜化，一般的測(cè)量手段已無法滿足測(cè)量要求，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨于成熟，車載三維掃描系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了測(cè)量工作的時(shí)效性，又多了一種全新的獲取空間信息的手段。充分了解車載三維系統(tǒng)的組成、工作原理及提高采集數(shù)據(jù)的精度能很好的應(yīng)用于建筑、道路竣工以及三維仿真建模等項(xiàng)目中，對(duì)于解決城市重復(fù)測(cè)量、提高城市測(cè)量效率、快速實(shí)現(xiàn)城市竣工測(cè)量等工作都具有重要意義。

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IntegrationandApplicationofThreeDimensionalMovingStereoImageAcquisitionSystem

Wang Yuewen，Zou Liangen，Xu Liben
(Ningbo City Aratos Digital Technology Center，Ningbo 315800，China)

Mobile laser measurement technology has become a hot spot in the field of measurement. In this paper，This paper introduces the components，working principle and processing of the point cloud data collected by the system，This paper discusses the application of the system in digital completion measurement.

laser scanning；mobile measurement；3D reconstruction

1672-8262(2017)06-90-05

P232

A

2017—03—01

王岳文(1982—)，男，工程師，主要從事城市工程測(cè)量技術(shù)工作。