3D街景测量及数据处理研究

张淑峰

摘 要：该文以城市三维街景测量和数据处理为研究对象，探讨将激光扫描仪、差分全球卫星定位系统、CCD相机集成于一体的3D测量系统，并论述了数据处理的流程和三维建模的方法，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：3D 街景 测量 数据处理

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0045-02

目前，空对地观测已发展有机载和星载的高分辨率、高光谱和雷达观测技术，但仍未解决城市高层建筑遮挡区、高层建筑物立面，以及城市和众多工程建设所需的高速度的三维测量问题。将激光扫描仪（Laser Scanner， LS）、差分全球卫星定位系统（Differential Global Positioning System， DGPS）、CCD相机（Charge Coupled Device， CCD）集成于一体，并开发多源信息复合处理的软件，使之构成综合、完善、灵活的工程实用系统，并具备应用需求的多项基本功能。研制了具有自主控制、移动地理坐标框架特点的车载式近景目标三维数据采集系统的实验样机和相应的数据处理软件包。系统集成了新近发展的多种传感器，可以实时地完成载体的GPS定位数据、建筑物的激光扫描数据以及CCD影像数据的采集。相应的数据处理软件包具有如下功能：后处理GPS数据，提供载体的地理位置、速度和传感器的坐标和方位；后处理激光扫描数据，提供建筑物的距离、高度或宽度乃至特征线；后处理CCD影像数据，提供经过纠正的建筑物的立面纹理；建立建筑物的三维模型，实现建筑物的三维重建。

1 系统硬件构成

系统硬件主要由DGPS、LS、CCD三种传感器、系统控制器以及汽车构成。作业示意框图如图1所示。

由3台车载GPS接收机和1台基站接收机构成GPS差分系统，按照一定的采样频率接收信号，以为LS和CCD提供定位和定向数据。LS在垂直于行驶方向作二维扫描，以汽车行驶方向作为运动维，构成三维扫描系统。扫描数据经过后处理，用以提取相对建筑物的摄影距离、高度和宽度乃至特征线。CCD提供数字影像，经纠正后形成建筑物的纹理，并构成建筑物三维模型。而系统控制器则用于设备的接口、同步、控制，数据的采集、记录和传输。

系统以汽车为运载平台，车内紧靠驾驶室设有较宽敞的工作台，其上安置有以工控机为主的控制系统。车顶安装有坚固座架，特制的集成传感器的安装平台安装在座架上。CCD、LS、DGPS安置在安装平台的相应位置。安装平台由下支架和上支架两部分组成。各支架均使用U83的钢管。下支架与座9架固连，其上装有3个DGPS接收天线，上支架相对下支架有360°旋转自由度，以适应不同方位目标的CCD摄像与LS的扫描。上支架3的中部装有激光扫描仪LS及其防护罩，上支架两侧分别设有托板，每个托板上装有2台CCD数码相机箱体，上箱体上还装有摄像机。上箱体相对下箱体有50°旋转仰俯角，以对高层建筑物上部摄像。所有控制线路密封地与车内工控机相联接。

1.1 DGPS接收机

汽车顶部3台DGPS接收机用以实时测定激光扫描仪系统LS和数码相机CCD的空间位置。使用专门建立的室外试验场（或室内试验场），预先精密地测定了DGPS、LS和CCD的相对三维位置。

该系统选用NovAtel DL-4-L1/L2型GPS接收机，其后处理动态精度10mm±0.002mm，原始数据输出频率和位置输出频率为20 Hz，信号重捕获时间为0.5s（L1）、6s（L2），差分速度精度为±0.03m/s，时间精度为±1.2 ns。选用的GPS-600型天线具有零相位中心及抗电磁波干扰及多路径误差的特性。使用自行开发的软件，实现单历元相对定位，以获得平台上各传感器的实时三维空间位置。

1.2 激光扫描仪

采用RIEGL公司的LMS-Q140-i 80型扫描仪，是一种二维激光扫描仪，在该系统上竖直安装，进行“铅垂面”扫描。主要用以在动态状况下测定被摄物体的高度。该扫描仪的主要性能包括：安全级别属A级；扫描角度为±40°内；扫描距离为最小2m，最大350—700 m；标称精度为±（2.5～5）cm；采样频率为28kHz；最大扫描速度为40线/s。

1.3 CCD相机

该系统的CCD数码相机，用以获取被摄物体的纹理。基于多片空间后方交会的CCD数码相机的精确检校，是建立该系统的重要技术组成。据多次试验，主距与主点坐标的检测中误差均小于1个像素，光学主畸变系数K1检测中误差小于10-11。

该系统选用日本尼康公司的Nikon D1x型数码相机，其主要性能指标是：变焦主距为17—25mm和28—70mm；芯片像幅为23.7mm×15.6mm；芯片分辨率为3008×1960像素。

1.4 控制器

该系统控制器为一个集成化的操作平台，安置在汽车驾驶员后。主要功能是：对各传感器进行参数设置、启动和关闭操作，以及对传感器采集的数据实施传输和记录。所采集的数据包括数码相机的影像数据、激光扫描仪的线阵数据以及GPS定位的伪距观测量和导航电文。数据采集电控系统硬件设计、研制和优化，包括工控机系统的组成，单片机系统的设计，系统与传感器接口及信号连接的设计和实现。工控机系统是采集软件的硬件平台和传感器接口的硬件平台；单片机系统用于实现CCD相机的手动和自动拍摄以及GPS同步信号的发送。

1.5 控制软件功能

该软件的主要功能是配合硬件采集系统，完成以下操作：

（1）全球卫星定位系统GPS的实时数据采集；（2）激光扫描仪LMS的实时数据采集；（3）数码相机的拍摄控制与采集图像的存取和传输；（4）GPS数据与LMS和CCD数据的“同步”。

该软件系统在Win98/2000的抢先式多任务操作系统下开发，运用较先进的多线程技术解决了海量数据采集过程的实时、同步和可靠性问题；主要应用Win32下的重叠I/O串行通信和并行通信技术。

2 数据处理与三维建模

在多种传感器集成的本车载移动测量系统中，GPS实时提供平台的运动轨迹与方位参数，数码相机CCD以人工设置的各种参数连续进行摄像，扫描仪LS按其自有的频率实施扫描，以获得目标与扫描仪的相对关系。由于多种传感器安置在车上的不同位置，参考坐标系统不同，各传感器采集的数据描述复杂，数据的采样间隔也不一样，因此对各种数据进行了匹配与整合。

2.1 GPS数据处理

基线解算采用加拿大GrafMov6.03软件，该软件具有移动基线单历元解法，可动态初始化。单历元解算过程中的关键问题是快速解算整周模糊度。数据处理中，将三个接收机间的固定基线长度作为约束条件，约束整周模糊度的搜索空间，以提高解算速度和可靠性。基线解算具有正算和逆算两种方法，以尽量减少因失锁而引起的数据丢失。将解算的基线向量作为观测值，用已知的基线长度作为约束，用附有条件的间接平差单历元解算天线坐标。根据天线与其他传感器间的固定关系解算各传感器中心的坐标。

2.2 扫描数据处理

激光扫描数据的处理过程可细分为数据的滤波、纠正、分类和特征提取与建模。采用的处理流程是：（1）从数据库中调入原始数据，根据已知参考信息对原始观测值进行概算，将地形数据与地物数据分离；（2）对地物数据进行滤波，去除噪声和遮挡物（如树木等）的影响，得到建筑物数据；（3）根据建筑物特征，对连续扫描的激光测量断面进行整体匹配纠正，得到建筑物特征；（4）根据纠正信息对原始测量数据进行重新计算，得到反映建筑物表面几何特征的三维扫描坐标；（5）提取建筑物的高度以至特征线。

2.3 影像数据处理

研制了被摄目标表面正射投影方向纹理的纠正软件，以及支持OpenGL映射纹理的相应结构的纹理的重构软件。

该模块基于视差理论的机器立体视觉，运用车载动态摄像机对同一景物从不同位置成像获得立体像对、辅以GPS定位与激光扫描提取框架模型坐标，通过各种算法匹配出相应像点，从而计算出视差，然后采用基于数字近景摄影测量的方法恢复深度（距离）信息，以提取空间模型的三维坐标。在恢复空间模型的同时，直接进行三维空间信息纹理纠正，并获得纹理信息。最后，建立基于地面三维测量数据的城市环境与工程建筑物的虚拟现实表示的数字近景目标三维城市景观系统。

2.4 三维表达

为适应不同环境的需要，在三维表达方面实现有两种建模系统，即基于地面CCD影像的建模系统和基于地面与空中影像相结合的建模系统。

依据三维空间建模的方法不同，本系统软件具有以下三个功能：

（1）在不具备定位控制基准信息的前提下，仅利用CCD相机获取的影像，利用立体像对的空间关系，并通过相对控制条件的引入，实施光束法平差，建立空间三维模型。（2）在引入GPS空间定位数据、激光扫描数据和CCD相机影像数据基础上，利用空间的起算基准数据，解算基于此起算标准的空间三维模型坐标，再建立真实三维模型。（3）利用空地一体，即基于空中遥感影像与地面控制点，解算和提取模型框架的空间三维坐标，并辅与地面侧面的纹理影像，建立可视化、可量测化真三维模型。使用本系统所制作的山东科技大学青岛校区可视化三维模型，其中图（a）为低俯角图，图（b）为高俯角图。

3 结语

（1）集成多台全球定位系统GPS接收机、二维激光扫描系统LS及多台CCD相机，构建了一种新颖的车载式城市信息快速获取系统。（2）该系统联同空对地观测手段，特别是低空倾斜影像航空摄影测量手段，构成了数字城市真三维建模的完整技术，以较高的作业效率为特点。（3）本系统在多传感器的集成、车内实时控制器硬软件的设计与制作以及基于建筑物平行线组的单片摄像建模的理论与实现等方面的研究工作，对数字城市的实现有明显的作用。

参考文献

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