移动测绘系统在河景三维中的应用

吕志慧，张 凯

（1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013）

移动测绘系统在河景三维中的应用

吕志慧1，张 凯1

（1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013）

移动测绘系统通过装配多种传感器，在行进中实时采集路线前方及两旁地物的可量测立体影像序列，可为河道测量与管理提供快速、全面的地理空间数据支持。以外秦淮河河景三维数据生产为例，探索与试验了在船载环境下利用移动测绘系统进行河景三维数据的采集与内业处理的方法。

移动测绘系统；船载；可量测实景影像；河景三维

移动测绘系统是一种全新的测绘技术，通过在移动设备上装配GPS（全球定位系统）、CCD（成像系统）、INS/DR（惯性导航系统或航位推算系统）等传感器和设备，可在行进过程中快速采集路线前方及两旁地物的可量测立体影像序列[1-4]。使用移动测绘系统可为河道测量与管理提供快速、全面的地理空间数据支持。

1 移动测绘系统与河景三维

近年来，基于全景、三维激光点云的三维实景服务是目前互联网上的热点，也是在线地图服务的发展方向。可量测实景影像（digital measurable image）带有绝对方位元素，可以实现影像中任意地物的绝对测量和相对测量。除记录了地物的属性外，可量测实景影像还完整地记录了摄影时刻测区的环境信息以及经济、社会、人文等信息，这种真实反映地球物理状况和人类活动环境的数据，可形象地称之为“真图”[4]。国家测绘地理信息局于2009年发布了行业标准《可量测实景影像CH/Z 1002-2009》，将实景三维地理信息正式纳入国家基础地理信息数字产品范畴，成为国家空间数据基础设施的重要组成部分。交通部、住建部、公安部等国家有关部委均在智慧城市各行业的信息化建设规划中对实景三维地理信息服务制定了行业指导意见。

河景三维是相对于街景三维的一个概念，是应用于河道上的可量测实景影像，又可以称作可量测河景影像。水利河景三维技术可以获得全方位的河道地形和环境信息，为水利工程的数字化管理、开发规划、应急指挥、灾害监测、水利工程治理提供高精度、高现势性的地理空间信息数据支撑。

移动测绘系统是生产可量测实景影像的主要手段，使测量更加智能化、集成化、快速化并提高了作业精度，在现代测绘中已有广泛的应用。纵观国内外测绘市场上的典型移动测绘系统，如加拿大Optech公司的LYNX、RIEGL全新一代的VMX-250、拓普康的TopconIP-S2、天宝的Land Marker、IGI公司的StreetMapper、Google的街景车等，主要是基于车载平台[5]。近年来，我国在地面测量领域取得了很大的成就[6]，武汉大学、立得公司、首都师范大学、山东科技大学、中国测绘科学研究院、中科院深圳研究院也相继推出了车载移动测绘系统。随着新型传感器的发展和广泛应用，这些系统的采集方式从基于GPS的轨迹测量、基于CCD像对的摄影测量到基于激光扫描的激光测量，各自都有自身的特点，但大都与载体高度相关，存在储存不便、检校麻烦、维护困难和运输不方便的问题，而且数据处理和应用软件缺少统一标准和成熟流程。在行业应用方面，主要集中在交通、城管、旅游等领域，在水利上的应用相对较少。在国外，Google公司曾对亚马逊河进行过河景采集[7]，但成果也只局限于影像浏览，不能做到可量测。

2 基于移动测绘系统进行河景三维生产

2.1 项目概况与技术路线

本文以南京市外秦淮河三汊河河口闸到东山段大约24．1 km的河道为例，提出了基于移动测绘系统的河景三维生产方法，技术流程如图1所示。

2.2 外业数据采集

船载移动测绘系统在进行外业采集时，主要是根据规划的行船线路进行数据采集，获取原始点云、全景影像、绝对坐标和姿态数据等原始数据。

图1 河景三维生产技术流程图

1）车载环境安装。本次河景数据采集工作是通过船载移动测绘系统进行的。车载移动测绘系统主要由基站、三维激光扫描仪、高清全景相机以及车轮编码器4部分组成，在船载环境下，除了车轮编码器外，其他传感器应统一安装在船体上。将GPS、CCD、INS/DR等传感器进行校准后固定在一块铁板上，解决了各传感器野外校准的问题。

基站要求架设在卫星信号良好的地方，有已知控制点的话，优先架设在控制点上。基站架设与其他设备安装独立进行，没有严格的先后顺序要求。但是一般来说，在进行数据采集前，基站必须架设完成，并开始正常工作。此次，GPS基准站架设在江苏省测绘地理信息局楼顶已知控制点处，测区范围内离基站最远处为13．7 km。

2）数据采集。船载移动测绘系统在外业采集过程中，尽量使船只保持匀速行驶，各个传感器开始工作后，计算机系统开始记录激光原始数据、CCD 影像数据、POS 数据（GPS与IMU原始数据）、时间同步数据和行驶轨迹数据。所有采集数据均以不同格式存储在移动测绘系统的存储卡或者相机存储卡中，以便后续内业处理。

本次外业采集从三岔河河口闸出发，系统以15 km/ h的速度进行采集。至东山桥采集结束之后，船载移动测绘系统需要初始化等待20 min，然后关闭相机电源、扫描仪电源，最后将设备拆除、拷贝数据，并对数据加以整理。采集所得数据主要包括POS数据、点云数据和影像数据，这些数据是同时进行采集和存储的，真正实现了多源数据的同步采集与存储。

3）注意事项。由于车载与船载移动测绘系统间的差异，在进行实地采集工作之前，需要根据待采集区域的实际情况保证数据采集精度和作业效率，制定数据采集的相关策略，进行线路与人员的规划。在进行外业采集时，应当注意以下问题：① 初始化。开启POS采集之后，一般街景采集只需要使车身静止5 min即可，但在河景采集中，无法使水面保持绝对静止，所以需静止20 min，在静止的20 min期间，需要尽量避免船身摇晃。在采集开始前，需寻找卫星信号较好地段，使卫星信号达到45 dB且有效卫星数目为5颗以上才可达到预定的定位精度。在采集开始前，需验证当前的INS收敛角度。一般而言，当航向角收敛值小于0．2°时，才可保证测量精度。如果航向角收敛值大于0．2°，可以使船在河面上进行S型路线行驶，航向角达到指定要求后再正常行驶。采集过程中如果出现GPS漂移的情况，需要重新启动移动测绘系统后再继续进行采集作业。② 采集速度控制。与车载移动测绘系统相比，船载移动测绘系统的影像拍摄的触发模式设置会有所不同。车载移动测绘系统多为里程触发，需要安装轮胎编码器，一般时速为25～30 km/ h，大约每7 m拍摄一组照片。由于船速不稳定，船载移动测绘系统的影像采集模式设置为时间触发，在时速15 km/h情况下，一般每1．7 s拍摄一组照片。

2.3 内业处理

移动测绘系统采集的原始数据必须经过相关处理方可被其他应用使用，原始数据的处理主要包括数据联合解算、点云融合、影像拼接、生产与发布等步骤。

1）数据联合解算。数据联合解算的目的是对点云数据、影像数据、POS数据的数据坐标系进行统一。根据仪器校正成果以及通过IE计算，可以得到较好的解算成果。

2）实景影像拼接。全景图分为柱面全景图和球面全景图，本文中涉及到的全景图是球面全景图，是将图像投影到以观察者为中心的球面上，根据观察者视点展现出的场景，所有的场景都是连续的，可以通过拖动鼠标左键选择相应的视点进行浏览。

图像拼接技术是全景图生成的核心技术，其关键是找到两幅图像中的重叠区域，然后将重叠区域进行图像融合，使得重叠区域的场景能够自然过渡。根据配准信息，可通过软件自动完成影像拼接。需要注意的是，由于现有的影像拼接算法都有一定的局限性，在拼接完成后应逐幅对影像进行优化，消除拼接缝隙。

3）数据配准。与全景影像数据相比，激光扫描点云数据具有较高的精度和更高的维度，因此应以激光扫描点云数据为基础，整合、校正全景影像数据，生成混合彩色离散点，使得点云数据既包含地物的空间位置信息，又包含全景影像所描述的色彩信息。校正后的全景影像如果有较明显的偏差，应手工进行调整，完成点云与影像的精确匹配。

4）河景影像生产。河景影像生产包括模糊处理、深度图生成、面片提取、影像切片与入库等步骤。① 模糊处理。模糊处理的主要作用是对涉及到的个人相关隐私数据作相关模糊化处理。比起道路来，河道周围环境较为空旷，需要处理的隐私信息并不多，不需要考虑特别的算法，直接通过人工对所涉及的人脸区域进行均值滤波处理即可。②深度图生成。可根据点云数据生成每一幅影像的深度图信息，并以此作为量测的基础。③面片提取。建筑物区域提取与分类具有广泛的应用，一是有助于实现对河景信息的自动分类，二是有助于建筑物目标识别和三维重建，提高识别和三维重建的精度和效率，弥补深度图分辨率不均匀的缺陷。本文通过点云的直线特征直接在点云顶视图上进行建筑物立面的面片提取。④轨迹编辑。对采集轨迹进行编辑，形成拓扑信息。⑤影像切片与入库。为符合网络环境的共享和发布，应对影像数据进行切片与入库。

5）河景影像发布。开发河景浏览、二维地图联动、信息查询、三维空间量测以及沿河水利工程管理等功能，实现水利河景应用。系统界面如图2所示。

3 结 语

通过研究和实践，本文形成了船载环境下移动测绘系统的安装、采集与数据处理方案，并以实际项目为例，进行河景影像的生产。

图2 河景三维应用界面

河景三维技术能够快速、全面地获得详细的河道、航道、水岸及近岸水上的地形和环境信息，可为水利工程的数字化管理、开发规划、应急指挥、灾害监测、水利工程治理提供高精度、高现势性的地理空间信息数据支撑。另一方面，移动测绘系统也可以结合多波束水下地形测量技术，借助船载平台实现水上水下一体化移动测量，从而得到水上水下河道三维数字河道信息。

[1] 王玉振,贾换新,张建军．3S技术在河道测量中的应用[J]．水科学与工程技术,2007, (2):56-59

[2] 李德仁．移动测量技术及其应用[J]．地理信息世界,2008, 4(4):1-5

[3] 安宵,张东方,夏岢,等． GPS快速测量技术在河道测量中的应用[J]．水科学与工程技术, 2008(3):68-70

[4] 李德仁,郭晟,胡庆武,等．GIS新引擎：“真图”数据解决方案[J]．地理信息世界,2008(3):5-10

[5] 麦照秋,陈雨,郑炜,等．IP-S2移动测量系统在高速公路测量中的应用[J]．测绘通报, 2010(12):23-26

[6] 刘先林．国产测绘系统的卓越进步[J]．中国建设信息, 2010(23):13-14

[7] BBC News．Google Begins Amazon River Street View Project [EB/OL]．(2011-8-19)[2015-10-11]．http://www．bbc．com/news/ technology-14592184

P234

B

1672-4623（2016）12-0027-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.010

吕志慧，高级工程师，主要从事测绘三维科研和应用工作。

2015-10-22。

项目来源：江苏省测绘地理信息科研资助项目（JSCHKY201422）。