丁瑩瑩，趙云昌

(山東省國土測繪院，山東 濟南　250013)

多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應用研究探索

丁瑩瑩，趙云昌

(山東省國土測繪院，山東 濟南250013)

該文以多種類型的激光掃描系統(tǒng)為研究對象，綜合利用激光掃描系統(tǒng)在不同尺度下獲取的數(shù)據(jù)，展示城市各個方面的部件特征，探索出基于四層結(jié)構(地形數(shù)據(jù)層、街區(qū)數(shù)據(jù)層、室內(nèi)數(shù)據(jù)層和實體數(shù)據(jù)層)的數(shù)字城市三維建模解決方案，為多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市綜合應用提供研究方向。

激光掃描；數(shù)字城市；三維建模

引文格式：丁瑩瑩，趙云昌.多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應用研究探索[J].山東國土資源，2015,31(4)：83-86.DINGYingying，ZHAOYunchang.StudyonComprehensiveApplicationofVarietyofLaserScanningSystemsinDigitalCity[J].ShandongLandandResources, 2015,31(4):83-86.

0　引言

基礎地理空間信息資源作為國家信息資源的組成部分之一，承擔著越來越重要的作用。激光掃描系統(tǒng)作為新興的地理空間數(shù)據(jù)獲取技術之一，具有快速、高效、準實時等優(yōu)點，在數(shù)字地形模型構建、城市空間信息獲取、建筑物內(nèi)部以及實體部件的獲取等方面都展現(xiàn)出了其他技術無法比擬的優(yōu)勢。

針對各種激光掃描設備，科研工作者和工程技術人員開展了相關的數(shù)據(jù)處理研究，并獲取了豐碩成果。激光掃描系統(tǒng)可分為機載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)、固定站激光掃描系統(tǒng)和手持激光掃描儀。機載雷達掃描系統(tǒng)可針對大區(qū)域獲取數(shù)據(jù)，同時獲取航空影像數(shù)據(jù)；車載激光掃描系統(tǒng)，配備高清晰度的全景相機，依托城市道路進行數(shù)據(jù)采集，獲取城區(qū)內(nèi)部的建筑物等空間立面數(shù)據(jù)和城市街景數(shù)據(jù)；固定站激光掃描儀可獲取建筑物內(nèi)部數(shù)據(jù)；手持掃描儀可獲取實體空間數(shù)據(jù)，各具優(yōu)勢。針對各類激光掃描系統(tǒng)中的空間點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的綜合應用技術進行研究，探索出一套多種激光掃描系統(tǒng)綜合應用于數(shù)字城市三維建模的解決方案。

1　多種激光掃描系統(tǒng)的原理及特點

(1)機載激光掃描系統(tǒng)原理及組成。機載激光雷達以飛機作為設備搭載的載體，配備高精度的慣性導航系統(tǒng)以及高精度動態(tài)GPS設備，在航空飛機飛行時對地面進行大范圍數(shù)據(jù)掃描，獲取大面積地形數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)用于確定飛機飛行的空間位置，慣性導航系統(tǒng)確定飛行姿態(tài)，航空飛機同時配備航空相機，獲取地面的航空影像。

(2)車載激光掃描系統(tǒng)原理及組成。車載激光掃描系統(tǒng)以激光掃描技術為主要技術核心，配備其他輔助設備實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)動態(tài)掃描，獲取沿著道路行進方向兩側(cè)地物的空間信息及紋理信息，并通過數(shù)據(jù)處理獲取與實際地物信息一致的城市三維模型，車載激光掃描系統(tǒng)集成了多種傳感器：全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測量單元(IMU)、激光掃描測距儀、全景相機等。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時、主動、完整地獲取和處理三維空間數(shù)據(jù)信息，可以滿足對車載系統(tǒng)周圍目標區(qū)域360°圓周的掃描測量，獲得全方位的連續(xù)實景三維數(shù)據(jù)。

(3)地面激光掃描測量系統(tǒng)原理及組成。地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由3部分組成：掃描儀、控制器和電源供應系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成CCD和儀器內(nèi)部控制及校正等系統(tǒng)。

(4)手持激光掃描系統(tǒng)原理及應用。手持激光掃描系統(tǒng)采用的是激光掃描技術，但其工作原理與之前幾種激光掃描設備不太一樣，手持激光掃描設備通過掃描控制點進行自定義匹配，屬于自定位系統(tǒng)，其他幾種掃描設備都是指定掃描的實時坐標基點以及姿態(tài)參數(shù)，解算空間三維點云。手持激光掃描系統(tǒng)配備紋理采集設備，如需對三維數(shù)據(jù)建模貼紋理，則需再次拍攝照片，手持設備輕便靈活，適用于小型區(qū)域、實體掃描，在精細測繪中具有優(yōu)勢。

2　四層結(jié)構在數(shù)字城市建設中的創(chuàng)新點

該文針對多種激光掃描系統(tǒng)在數(shù)字城市中綜合應用構建了四層結(jié)構，主要包括地形數(shù)據(jù)層、街區(qū)數(shù)據(jù)層、室內(nèi)數(shù)據(jù)層、實體數(shù)據(jù)層。

2.1地形數(shù)據(jù)層

地形數(shù)據(jù)層主要為小比例尺數(shù)據(jù)層，以機載激光掃描系統(tǒng)和車載激光掃描系統(tǒng)為主，使用兩者的激光點云數(shù)據(jù)作為空間數(shù)據(jù)，使用機載航空影像作為紋理數(shù)據(jù)，以金字塔型式進行分塊。兩種激光掃描數(shù)據(jù)雖然同為點云數(shù)據(jù)，但由于兩者掃描系統(tǒng)、原理之間的差異，使得兩者掃描數(shù)據(jù)不能按照統(tǒng)一方式、參數(shù)進行處理，需分別處理后進行融合以獲取最終成果。

2.2街區(qū)數(shù)據(jù)層

街區(qū)數(shù)據(jù)層定義為中比例尺數(shù)據(jù)層，以可量測街景展現(xiàn)，主要以車載激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)為數(shù)據(jù)源，主要區(qū)域采用車載數(shù)據(jù)，對于車載數(shù)據(jù)掃描不到的重點區(qū)域采用地面掃描系統(tǒng)進行單站掃描。兩者數(shù)據(jù)掃描方式雖然不同，但地面激光掃描數(shù)據(jù)可以作為車載激光掃描數(shù)據(jù)的一個瞬時掃描，因此兩者數(shù)據(jù)可進行合并處理也可分開處理。兩者同有全景影像，共同作為街景展示。

2.3室內(nèi)數(shù)據(jù)層

室內(nèi)數(shù)據(jù)層主要包含兩個方面，一是建筑物三維模型層，即利用地面掃描點云及紋理數(shù)據(jù)進行建筑物三維建模；二是實景三維層，利用地面站數(shù)據(jù)制作室內(nèi)全景，流程與街景基本一致。

2.4實體數(shù)據(jù)層

實體數(shù)據(jù)層為最內(nèi)部的數(shù)據(jù)層，同時也是最精細的數(shù)據(jù)層，針對個別重要物體進行精細測繪，例如針對博物館內(nèi)的文物等。實體數(shù)據(jù)層一般采取手持激光掃描數(shù)據(jù)，也可疊加地面掃描數(shù)據(jù)。

3　激光掃描系統(tǒng)綜合應用中的關鍵技術

激光掃描系統(tǒng)主要分為空間數(shù)據(jù)以及紋理數(shù)據(jù)，關于激光掃描系統(tǒng)傳統(tǒng)研究內(nèi)容都以激光點云為主，伴隨各類激光掃描系統(tǒng)升級，紋理采集設備相繼加入掃描系統(tǒng)，而其研究內(nèi)容相對較少。

3.1DOM金字塔技術

影像金字塔結(jié)構：指在同一的空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由低到高、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構。影像金字塔結(jié)構用于圖像編碼和漸進式圖像傳輸，是一種典型的分層數(shù)據(jù)結(jié)構形式，適合于柵格數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的多分辨率組織，也是一種柵格數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)的有損壓縮方法(圖1)。

圖1　影像金字塔示意圖

3.2全景影像切片技術

全景切片技術與影像金字塔原理具有相似之處，可以說是金字塔原理在實景三維中的應用。是根據(jù)用戶需要，以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由低到高、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構。全景切片技術與全景相機原理有必要聯(lián)系，全景相機一般由6個鏡頭組成，側(cè)方向5個，天頂方向1個，因此在進行切片之前，先將6個鏡頭圖片拆分開，單獨進行切片，最后整合到一起。全景相機采取魚眼鏡頭進行拍攝，獲取影像為360°全景照片，投影到平面時出現(xiàn)嚴重拉伸，如采取傳統(tǒng)的金字塔平面分割構建，不能均勻?qū)ζ溥M行重采樣，需根據(jù)其原理，按照球面等角進行切片重采樣(圖2、圖3、圖4)。

圖2　全景拼接圖片(1級)

圖3　全景拼接圖片全景切片圖(2、3級)

圖4　全景切片分級顯示(左上角級別較低)

3.3全景量測技術

實景三維可量測技術，主要通過深度圖實現(xiàn)，對每一個全景站點進行處理，分別制作全景切片與深度圖，全景數(shù)據(jù)供前臺顯示，量測功能采用深度圖。

(1)深度圖：定義指定半徑球，球心為全景相片拍攝瞬間空間位置，對球面進行網(wǎng)格化分，以指定角度分辨率進行分割，例如0.1°，形成3600×1800的球面網(wǎng)格，計算每一個投影點對應網(wǎng)格，以點到球心距離為像素值，對指定區(qū)域點云進行計算，形成深度圖(圖5)。

圖5　全景相片

(2)全景視圖：全景拍攝時并非固定不動，而是具有瞬時姿態(tài)信息，除去空間位置信息外還有3個姿態(tài)角信息，全景顯視時利用這3個角度進行變換，使得全景相片與拍攝時一致，從而使地物方位正確(圖6)。

圖6　全景深度圖

(3)空間匹配：全景相片與深度圖匹配關鍵在于攝影瞬間的空間姿態(tài)，通過攝影時空間姿態(tài)將全景相片調(diào)整到正確位置，并與深度圖進行套和，兩者具有統(tǒng)一坐標系統(tǒng)，即以攝影中心為原點，以正北方向為X軸，與X軸垂直方向為Y軸，Z軸向上。

全景相片與深度圖進行配準之后，即形成以坐標系統(tǒng)Z軸為旋轉(zhuǎn)軸的全景可視視角，實時動態(tài)地調(diào)整全景相片位置，通過旋轉(zhuǎn)參數(shù)確定深度圖方位，使得二者實時統(tǒng)一，可進行全景視圖動態(tài)量測。

4　多種激光綜合應用實驗與分析

本實驗中利用數(shù)據(jù)為山東省國土測繪院購置的移動測量掃描系統(tǒng)以及機載LIDAR系統(tǒng)，配備航空相機，地面激光掃描設備以及手持掃描設備為武漢某科研單位配合提供。針對萊蕪市全區(qū)域地形以及城市空間信息以及紋理數(shù)據(jù)進行采集，針對重點建筑物進行室內(nèi)數(shù)據(jù)以及實體數(shù)據(jù)進行采集(圖7—圖10)。

圖7　城市機載激光掃描數(shù)據(jù)

圖8　城市三維模型

5　結(jié)語

該文以山東某地區(qū)為例，分別獲取多種激光掃描數(shù)據(jù)，利用該文中提出的解決方案進行處理，并在平臺進行展示應用，獲得良好成果產(chǎn)品，驗證了該文提出的綜合應用方案的可行性。

圖9　城區(qū)車載激光掃描街景展示

圖10　室內(nèi)街景展示

[1]曾齊紅,機載激光雷達點云數(shù)據(jù)處理與建筑物三維重建[D].上海大學，2009..

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StudyonComprehensiveApplicationofVarietyofLaserScanningSystemsinDigitalCity

DINGYingying，ZHAOYunchang

(ShandongSurveyingandMappingInstituteofLandandResources,ShandongJinan250013,China)

Takingvarietyoflaserscanningsystemsasthestudyobjects,byusingdatasgainedindifferentscales,componentcharacteristicsofvariousaspectsofthecityhavebeendisplayed, 3Dmodelingsolvingschemeofdigitalcityhasbeenexploredbasedonfourlayerstructure(theterraindatalayer,datalayer,datalayerblockinteriorandsoliddatalayer) .Itwillprovidearesearchdirectionforavarietyoflaserscanningsystemincomprehensiveapplicationofcigitalcity.

Laserscanning;digitalcity;three-dimensionmodeling

2015-01-30；

2015-03-14；編輯：曹麗麗

丁瑩瑩(1982— )，山東濰坊人，工程師，主要從事測繪、遙感、地理信息等方面工作；E-mail：71159950@qq.com

P217

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