多种激光扫描系统在数字城市中综合应用研究探索

丁莹莹，赵云昌

(山东省国土测绘院，山东 济南　250013)

多种激光扫描系统在数字城市中综合应用研究探索

丁莹莹，赵云昌

(山东省国土测绘院，山东 济南250013)

该文以多种类型的激光扫描系统为研究对象，综合利用激光扫描系统在不同尺度下获取的数据，展示城市各个方面的部件特征，探索出基于四层结构(地形数据层、街区数据层、室内数据层和实体数据层)的数字城市三维建模解决方案，为多种激光扫描系统在数字城市综合应用提供研究方向。

激光扫描；数字城市；三维建模

引文格式：丁莹莹，赵云昌.多种激光扫描系统在数字城市中综合应用研究探索[J].山东国土资源，2015,31(4)：83-86.DINGYingying，ZHAOYunchang.StudyonComprehensiveApplicationofVarietyofLaserScanningSystemsinDigitalCity[J].ShandongLandandResources, 2015,31(4):83-86.

0　引言

基础地理空间信息资源作为国家信息资源的组成部分之一，承担着越来越重要的作用。激光扫描系统作为新兴的地理空间数据获取技术之一，具有快速、高效、准实时等优点，在数字地形模型构建、城市空间信息获取、建筑物内部以及实体部件的获取等方面都展现出了其他技术无法比拟的优势。

针对各种激光扫描设备，科研工作者和工程技术人员开展了相关的数据处理研究，并获取了丰硕成果。激光扫描系统可分为机载激光扫描系统、车载激光扫描系统、固定站激光扫描系统和手持激光扫描仪。机载雷达扫描系统可针对大区域获取数据，同时获取航空影像数据；车载激光扫描系统，配备高清晰度的全景相机，依托城市道路进行数据采集，获取城区内部的建筑物等空间立面数据和城市街景数据；固定站激光扫描仪可获取建筑物内部数据；手持扫描仪可获取实体空间数据，各具优势。针对各类激光扫描系统中的空间点云数据、影像数据的综合应用技术进行研究，探索出一套多种激光扫描系统综合应用于数字城市三维建模的解决方案。

1　多种激光扫描系统的原理及特点

(1)机载激光扫描系统原理及组成。机载激光雷达以飞机作为设备搭载的载体，配备高精度的惯性导航系统以及高精度动态GPS设备，在航空飞机飞行时对地面进行大范围数据扫描，获取大面积地形数据，GPS系统用于确定飞机飞行的空间位置，惯性导航系统确定飞行姿态，航空飞机同时配备航空相机，获取地面的航空影像。

(2)车载激光扫描系统原理及组成。车载激光扫描系统以激光扫描技术为主要技术核心，配备其他辅助设备实现空间数据动态扫描，获取沿着道路行进方向两侧地物的空间信息及纹理信息，并通过数据处理获取与实际地物信息一致的城市三维模型，车载激光扫描系统集成了多种传感器：全球定位系统(GPS)、惯性测量单元(IMU)、激光扫描测距仪、全景相机等。该系统实现了实时、主动、完整地获取和处理三维空间数据信息，可以满足对车载系统周围目标区域360°圆周的扫描测量，获得全方位的连续实景三维数据。

(3)地面激光扫描测量系统原理及组成。地面三维激光扫描系统主要由3部分组成：扫描仪、控制器和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制及校正等系统。

(4)手持激光扫描系统原理及应用。手持激光扫描系统采用的是激光扫描技术，但其工作原理与之前几种激光扫描设备不太一样，手持激光扫描设备通过扫描控制点进行自定义匹配，属于自定位系统，其他几种扫描设备都是指定扫描的实时坐标基点以及姿态参数，解算空间三维点云。手持激光扫描系统配备纹理采集设备，如需对三维数据建模贴纹理，则需再次拍摄照片，手持设备轻便灵活，适用于小型区域、实体扫描，在精细测绘中具有优势。

2　四层结构在数字城市建设中的创新点

该文针对多种激光扫描系统在数字城市中综合应用构建了四层结构，主要包括地形数据层、街区数据层、室内数据层、实体数据层。

2.1地形数据层

地形数据层主要为小比例尺数据层，以机载激光扫描系统和车载激光扫描系统为主，使用两者的激光点云数据作为空间数据，使用机载航空影像作为纹理数据，以金字塔型式进行分块。两种激光扫描数据虽然同为点云数据，但由于两者扫描系统、原理之间的差异，使得两者扫描数据不能按照统一方式、参数进行处理，需分别处理后进行融合以获取最终成果。

2.2街区数据层

街区数据层定义为中比例尺数据层，以可量测街景展现，主要以车载激光扫描系统和地面激光扫描系统为数据源，主要区域采用车载数据，对于车载数据扫描不到的重点区域采用地面扫描系统进行单站扫描。两者数据扫描方式虽然不同，但地面激光扫描数据可以作为车载激光扫描数据的一个瞬时扫描，因此两者数据可进行合并处理也可分开处理。两者同有全景影像，共同作为街景展示。

2.3室内数据层

室内数据层主要包含两个方面，一是建筑物三维模型层，即利用地面扫描点云及纹理数据进行建筑物三维建模；二是实景三维层，利用地面站数据制作室内全景，流程与街景基本一致。

2.4实体数据层

实体数据层为最内部的数据层，同时也是最精细的数据层，针对个别重要物体进行精细测绘，例如针对博物馆内的文物等。实体数据层一般采取手持激光扫描数据，也可叠加地面扫描数据。

3　激光扫描系统综合应用中的关键技术

激光扫描系统主要分为空间数据以及纹理数据，关于激光扫描系统传统研究内容都以激光点云为主，伴随各类激光扫描系统升级，纹理采集设备相继加入扫描系统，而其研究内容相对较少。

3.1DOM金字塔技术

影像金字塔结构：指在同一的空间参照下，根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由低到高、数据量由小到大的金字塔结构。影像金字塔结构用于图像编码和渐进式图像传输，是一种典型的分层数据结构形式，适合于栅格数据和影像数据的多分辨率组织，也是一种栅格数据或影像数据的有损压缩方法(图1)。

图1　影像金字塔示意图

3.2全景影像切片技术

全景切片技术与影像金字塔原理具有相似之处，可以说是金字塔原理在实景三维中的应用。是根据用户需要，以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由低到高、数据量由小到大的金字塔结构。全景切片技术与全景相机原理有必要联系，全景相机一般由6个镜头组成，侧方向5个，天顶方向1个，因此在进行切片之前，先将6个镜头图片拆分开，单独进行切片，最后整合到一起。全景相机采取鱼眼镜头进行拍摄，获取影像为360°全景照片，投影到平面时出现严重拉伸，如采取传统的金字塔平面分割构建，不能均匀对其进行重采样，需根据其原理，按照球面等角进行切片重采样(图2、图3、图4)。

图2　全景拼接图片(1级)

图3　全景拼接图片全景切片图(2、3级)

图4　全景切片分级显示(左上角级别较低)

3.3全景量测技术

实景三维可量测技术，主要通过深度图实现，对每一个全景站点进行处理，分别制作全景切片与深度图，全景数据供前台显示，量测功能采用深度图。

(1)深度图：定义指定半径球，球心为全景相片拍摄瞬间空间位置，对球面进行网格化分，以指定角度分辨率进行分割，例如0.1°，形成3600×1800的球面网格，计算每一个投影点对应网格，以点到球心距离为像素值，对指定区域点云进行计算，形成深度图(图5)。

图5　全景相片

(2)全景视图：全景拍摄时并非固定不动，而是具有瞬时姿态信息，除去空间位置信息外还有3个姿态角信息，全景显视时利用这3个角度进行变换，使得全景相片与拍摄时一致，从而使地物方位正确(图6)。

图6　全景深度图

(3)空间匹配：全景相片与深度图匹配关键在于摄影瞬间的空间姿态，通过摄影时空间姿态将全景相片调整到正确位置，并与深度图进行套和，两者具有统一坐标系统，即以摄影中心为原点，以正北方向为X轴，与X轴垂直方向为Y轴，Z轴向上。

全景相片与深度图进行配准之后，即形成以坐标系统Z轴为旋转轴的全景可视视角，实时动态地调整全景相片位置，通过旋转参数确定深度图方位，使得二者实时统一，可进行全景视图动态量测。

4　多种激光综合应用实验与分析

本实验中利用数据为山东省国土测绘院购置的移动测量扫描系统以及机载LIDAR系统，配备航空相机，地面激光扫描设备以及手持扫描设备为武汉某科研单位配合提供。针对莱芜市全区域地形以及城市空间信息以及纹理数据进行采集，针对重点建筑物进行室内数据以及实体数据进行采集(图7—图10)。

图7　城市机载激光扫描数据

图8　城市三维模型

5　结语

该文以山东某地区为例，分别获取多种激光扫描数据，利用该文中提出的解决方案进行处理，并在平台进行展示应用，获得良好成果产品，验证了该文提出的综合应用方案的可行性。

图9　城区车载激光扫描街景展示

图10　室内街景展示

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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；编辑：曹丽丽

丁莹莹(1982— )，山东潍坊人，工程师，主要从事测绘、遥感、地理信息等方面工作；E-mail：71159950@qq.com

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