結(jié)合機(jī)載LiDAR技術(shù)的移動(dòng)端的開發(fā)及應(yīng)用

張?zhí)烨?/p>

(廣州建通測(cè)繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東廣州510663)

一、引 言

LiDAR測(cè)量技術(shù)是一種基于POS(GPS+IMU)技術(shù)和激光測(cè)距技術(shù)的主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，它開辟了由空中直接獲取高精度三維地面信息的新途徑。LiDAR系統(tǒng)包含激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)3種技術(shù)，并與數(shù)字航攝儀相結(jié)合，而且激光脈沖不受陰影和太陽角度的影響，具有采集密度高、數(shù)據(jù)精度高、植被穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過專用軟件處理，可高效快捷地獲取高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正攝影像(DOM)，DEM精度可優(yōu)于0.1 m，平面精度可優(yōu)于0.15 m。有了這些高精度、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，如何讓數(shù)據(jù)為民眾服務(wù)則是測(cè)繪工作者們需要思考的一個(gè)問題。

移動(dòng)空間信息服務(wù)是將Internet上的海量信息和地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大應(yīng)用服務(wù)擴(kuò)展到移動(dòng)終端上，為移動(dòng)用戶基于位置的信息交換、信息獲取、信息共享和信息發(fā)布提供便捷、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑。Android平臺(tái)是由Google聯(lián)手34家公司組成的開放手機(jī)聯(lián)盟(OHA)推出的開放源代碼的一個(gè)開放性移動(dòng)開發(fā)平臺(tái)，它采用Linux內(nèi)核、獨(dú)特的Dalvik虛擬機(jī)，集成特有的地圖模塊、快捷的XML布局方案、輕量級(jí)的SQLite數(shù)據(jù)庫，以及高效的二維、三維繪圖方案、多媒體技術(shù)等，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)訪問功能，且集成3G網(wǎng)絡(luò)與WiFi、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以對(duì)開發(fā)者之間的功能模塊進(jìn)行無縫繼承與共享。高效的功能模塊重用使開發(fā)周期更短、開發(fā)難度更低，結(jié)合日益完善的移動(dòng)定位技術(shù)，移動(dòng)用戶的GIS體驗(yàn)越來越好。Android是一個(gè)真正意義上的開放性移動(dòng)設(shè)備綜合平臺(tái)。百度、高德等移動(dòng)端服務(wù)商將地圖在移動(dòng)端的應(yīng)用成功為L(zhǎng)i-DAR測(cè)量高精度數(shù)據(jù)的應(yīng)用指明了方向。本文以筆者所在公司開發(fā)的高爾夫球助手為例，介紹機(jī)載LiDAR技術(shù)如何在移動(dòng)端的開發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮作用。

二、基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的移動(dòng)端開發(fā)的目的和意義

基于高精度的機(jī)載LiDAR成果數(shù)據(jù)DEM和DOM，可對(duì)高爾夫地形數(shù)據(jù)在移動(dòng)終端進(jìn)行二、三維瀏覽、漫游;基于自主開發(fā)的GIS系統(tǒng)，可提供更真實(shí)的二、三維場(chǎng)景，實(shí)時(shí)觀察當(dāng)前位置與球洞的距離，實(shí)時(shí)量測(cè)距離，顯示落球點(diǎn)坡向圖，顯示果嶺坡向圖等，便捷、快速、準(zhǔn)確地對(duì)落球點(diǎn)進(jìn)行定位，輔助高爾夫球比賽。

目前高爾夫相關(guān)軟件都是基于虛擬地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，或低精度的航拍數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度差，距離計(jì)算誤差較大，無法準(zhǔn)確地展示關(guān)注位置的地形地勢(shì)變化情況，不能很好地起到輔助高爾夫球手判斷和決策的作用，未能真正應(yīng)用到高爾夫球比賽和練習(xí)中。

該軟件采用高精度的機(jī)載LiDAR成果數(shù)據(jù)DEM和DOM，可提高距離量測(cè)的精度，更準(zhǔn)確地展示落球點(diǎn)和果嶺的地形地勢(shì)變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爾夫球場(chǎng)的機(jī)載LiDAR成果數(shù)據(jù)的三維管理，與高爾夫業(yè)務(wù)功能無縫集成，從宏觀和微觀多個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行更直接的把握，減少打球的失誤，提高高爾夫的娛樂性。

三、基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的移動(dòng)端開發(fā)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

1.主要內(nèi)容

機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)可獲取三維點(diǎn)云和高分辨率影像數(shù)據(jù)，并通過快速處理，進(jìn)一步獲取 DOM、DEM、DSM等數(shù)據(jù)。在機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的高精度和高質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用基于自主研發(fā)的GIS平臺(tái)，可快速實(shí)現(xiàn)高爾夫球場(chǎng)真二、三維地形數(shù)據(jù)的瀏覽、漫游，任意360°旋轉(zhuǎn)，支持手指觸屏操作，實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與球洞的距離，顯示落球點(diǎn)的坡向圖和果嶺的渲彩圖，提高高爾夫球手的判斷力和決策力，為球手精準(zhǔn)打球提供數(shù)據(jù)和計(jì)算支撐。

2.關(guān)鍵技術(shù)

1)基于機(jī)載LiDAR高精度高爾夫三維地形數(shù)據(jù)的移動(dòng)終端二、三維顯示瀏覽解決方案。

2)基于高精度機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的距離計(jì)算。

3)基于高精度機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的落球點(diǎn)坡向圖顯示。

4)基于高精度機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的果嶺渲彩圖顯示。

此外還有基于高精度地形數(shù)據(jù)的快速距離計(jì)算，輔助高爾夫球手更直觀地設(shè)置落球點(diǎn)，落球點(diǎn)坡向圖顯示、果嶺渲彩圖顯示，計(jì)分和統(tǒng)計(jì)分析功能等。

四、基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的移動(dòng)端開發(fā)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

1.設(shè)計(jì)方法

1)調(diào)研目前高爾夫相關(guān)軟件，了解尚未解決的技術(shù)問題和用戶最迫切的需求，提出全新的基于機(jī)載LiDAR高精度三維數(shù)據(jù)的高爾夫球助手解決方案。

2)對(duì)移動(dòng)終端顯示的真三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析研究，快速顯示二、三維地形數(shù)據(jù)。

3)結(jié)合高爾夫記分需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能需求。

4)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)距離計(jì)算、落球點(diǎn)坡向圖顯示、果嶺渲彩圖顯示。

5)計(jì)分和統(tǒng)計(jì)分析等功能。

2.技術(shù)路線

本項(xiàng)目開發(fā)涉及多個(gè)模塊的集成和調(diào)試，包含GIS+Android+Java等多個(gè)系統(tǒng)功能的開發(fā)和組合。

3.實(shí)現(xiàn)的功能

(1)選擇高爾夫球場(chǎng)

用戶開始進(jìn)入球場(chǎng)，首先選擇球場(chǎng)界面，如圖1所示。

點(diǎn)擊要前往的高爾夫球場(chǎng)，進(jìn)入球場(chǎng)設(shè)置界面。

(2)回合設(shè)置

在回合設(shè)置界面，可以新建回合或繼續(xù)尚未結(jié)束的回合，如圖2所示。

圖1 選擇球場(chǎng)

圖2 回合設(shè)置

點(diǎn)擊新建回合按鈕，彈出新建回合界面。在新建回合界面，可以進(jìn)行球員通訊錄管理，如圖3所示。

圖3 新建回合

點(diǎn)擊記分卡或球場(chǎng)圖，繼續(xù)尚未結(jié)束回合的記分和測(cè)距操作，如圖4所示。

圖4 記分卡

進(jìn)入程序主界面，可以顯示三維數(shù)據(jù)，在屏幕上可任意旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)，并根據(jù)用戶手勢(shì)作出回應(yīng)，可以了解球場(chǎng)附近的狀況，如圖5所示。

圖5 球場(chǎng)圖

(3)記 分

在記分卡中，點(diǎn)擊任意球洞，彈出對(duì)應(yīng)球洞的記分界面，如圖6所示。

(4)球洞展示

查看球洞，可隨意進(jìn)行二維和三維切換，如圖7、圖8所示。

在球洞圖上，可以通過拖拽的方式直接設(shè)置開球點(diǎn)和落球點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置和落球點(diǎn)的距離、落球點(diǎn)到果嶺的距離，測(cè)量當(dāng)前位置到各類障礙物的距離。

圖6 記分

圖7 球洞二維展示

圖8 球洞三維展示

通過滾動(dòng)的球和顏色直觀展示落球點(diǎn)的地勢(shì)起伏變化，方便球手作出正確的落球點(diǎn)選擇。

以DEM渲彩圖的方式直觀地展示果嶺的地勢(shì)變化，方便球手作出正確的推桿決策，如圖9所示。

圖9 果嶺渲彩圖

五、結(jié)束語

機(jī)載LiDAR技術(shù)的發(fā)展和研究是航空攝影未來的研究熱點(diǎn)，多種高精尖技術(shù)的集成、軟硬件一體化是未來的發(fā)展趨勢(shì)。尤其隨著數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用提出了更高的要求，社會(huì)大眾對(duì)位置服務(wù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度要求越來越高，基于LiDAR技術(shù)的移動(dòng)端的開發(fā)和應(yīng)用是非常重要的一項(xiàng)研究，具有很好的應(yīng)用前景。

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