移動(dòng)測繪系統(tǒng)在河景三維中的應(yīng)用

呂志慧，張 凱

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

移動(dòng)測繪系統(tǒng)在河景三維中的應(yīng)用

呂志慧1，張 凱1

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

移動(dòng)測繪系統(tǒng)通過裝配多種傳感器，在行進(jìn)中實(shí)時(shí)采集路線前方及兩旁地物的可量測立體影像序列，可為河道測量與管理提供快速、全面的地理空間數(shù)據(jù)支持。以外秦淮河河景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)為例，探索與試驗(yàn)了在船載環(huán)境下利用移動(dòng)測繪系統(tǒng)進(jìn)行河景三維數(shù)據(jù)的采集與內(nèi)業(yè)處理的方法。

移動(dòng)測繪系統(tǒng)；船載；可量測實(shí)景影像；河景三維

移動(dòng)測繪系統(tǒng)是一種全新的測繪技術(shù)，通過在移動(dòng)設(shè)備上裝配GPS（全球定位系統(tǒng)）、CCD（成像系統(tǒng)）、INS/DR（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或航位推算系統(tǒng)）等傳感器和設(shè)備，可在行進(jìn)過程中快速采集路線前方及兩旁地物的可量測立體影像序列[1-4]。使用移動(dòng)測繪系統(tǒng)可為河道測量與管理提供快速、全面的地理空間數(shù)據(jù)支持。

1 移動(dòng)測繪系統(tǒng)與河景三維

近年來，基于全景、三維激光點(diǎn)云的三維實(shí)景服務(wù)是目前互聯(lián)網(wǎng)上的熱點(diǎn)，也是在線地圖服務(wù)的發(fā)展方向?？闪繙y實(shí)景影像（digital measurable image）帶有絕對方位元素，可以實(shí)現(xiàn)影像中任意地物的絕對測量和相對測量。除記錄了地物的屬性外，可量測實(shí)景影像還完整地記錄了攝影時(shí)刻測區(qū)的環(huán)境信息以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文等信息，這種真實(shí)反映地球物理狀況和人類活動(dòng)環(huán)境的數(shù)據(jù)，可形象地稱之為“真圖”[4]。國家測繪地理信息局于2009年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《可量測實(shí)景影像CH/Z 1002-2009》，將實(shí)景三維地理信息正式納入國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品范疇，成為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。交通部、住建部、公安部等國家有關(guān)部委均在智慧城市各行業(yè)的信息化建設(shè)規(guī)劃中對實(shí)景三維地理信息服務(wù)制定了行業(yè)指導(dǎo)意見。

河景三維是相對于街景三維的一個(gè)概念，是應(yīng)用于河道上的可量測實(shí)景影像，又可以稱作可量測河景影像。水利河景三維技術(shù)可以獲得全方位的河道地形和環(huán)境信息，為水利工程的數(shù)字化管理、開發(fā)規(guī)劃、應(yīng)急指揮、災(zāi)害監(jiān)測、水利工程治理提供高精度、高現(xiàn)勢性的地理空間信息數(shù)據(jù)支撐。

移動(dòng)測繪系統(tǒng)是生產(chǎn)可量測實(shí)景影像的主要手段，使測量更加智能化、集成化、快速化并提高了作業(yè)精度，在現(xiàn)代測繪中已有廣泛的應(yīng)用。縱觀國內(nèi)外測繪市場上的典型移動(dòng)測繪系統(tǒng)，如加拿大Optech公司的LYNX、RIEGL全新一代的VMX-250、拓普康的TopconIP-S2、天寶的Land Marker、IGI公司的StreetMapper、Google的街景車等，主要是基于車載平臺(tái)[5]。近年來，我國在地面測量領(lǐng)域取得了很大的成就[6]，武漢大學(xué)、立得公司、首都師范大學(xué)、山東科技大學(xué)、中國測繪科學(xué)研究院、中科院深圳研究院也相繼推出了車載移動(dòng)測繪系統(tǒng)。隨著新型傳感器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這些系統(tǒng)的采集方式從基于GPS的軌跡測量、基于CCD像對的攝影測量到基于激光掃描的激光測量，各自都有自身的特點(diǎn)，但大都與載體高度相關(guān)，存在儲(chǔ)存不便、檢校麻煩、維護(hù)困難和運(yùn)輸不方便的問題，而且數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用軟件缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和成熟流程。在行業(yè)應(yīng)用方面，主要集中在交通、城管、旅游等領(lǐng)域，在水利上的應(yīng)用相對較少。在國外，Google公司曾對亞馬遜河進(jìn)行過河景采集[7]，但成果也只局限于影像瀏覽，不能做到可量測。

2 基于移動(dòng)測繪系統(tǒng)進(jìn)行河景三維生產(chǎn)

2.1 項(xiàng)目概況與技術(shù)路線

本文以南京市外秦淮河三汊河河口閘到東山段大約24．1 km的河道為例，提出了基于移動(dòng)測繪系統(tǒng)的河景三維生產(chǎn)方法，技術(shù)流程如圖1所示。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)在進(jìn)行外業(yè)采集時(shí)，主要是根據(jù)規(guī)劃的行船線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取原始點(diǎn)云、全景影像、絕對坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)。

圖1 河景三維生產(chǎn)技術(shù)流程圖

1）車載環(huán)境安裝。本次河景數(shù)據(jù)采集工作是通過船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)進(jìn)行的。車載移動(dòng)測繪系統(tǒng)主要由基站、三維激光掃描儀、高清全景相機(jī)以及車輪編碼器4部分組成，在船載環(huán)境下，除了車輪編碼器外，其他傳感器應(yīng)統(tǒng)一安裝在船體上。將GPS、CCD、INS/DR等傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)后固定在一塊鐵板上，解決了各傳感器野外校準(zhǔn)的問題。

基站要求架設(shè)在衛(wèi)星信號良好的地方，有已知控制點(diǎn)的話，優(yōu)先架設(shè)在控制點(diǎn)上。基站架設(shè)與其他設(shè)備安裝獨(dú)立進(jìn)行，沒有嚴(yán)格的先后順序要求。但是一般來說，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，基站必須架設(shè)完成，并開始正常工作。此次，GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在江蘇省測繪地理信息局樓頂已知控制點(diǎn)處，測區(qū)范圍內(nèi)離基站最遠(yuǎn)處為13．7 km。

2）數(shù)據(jù)采集。船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)在外業(yè)采集過程中，盡量使船只保持勻速行駛，各個(gè)傳感器開始工作后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始記錄激光原始數(shù)據(jù)、CCD 影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)（GPS與IMU原始數(shù)據(jù)）、時(shí)間同步數(shù)據(jù)和行駛軌跡數(shù)據(jù)。所有采集數(shù)據(jù)均以不同格式存儲(chǔ)在移動(dòng)測繪系統(tǒng)的存儲(chǔ)卡或者相機(jī)存儲(chǔ)卡中，以便后續(xù)內(nèi)業(yè)處理。

本次外業(yè)采集從三岔河河口閘出發(fā)，系統(tǒng)以15 km/ h的速度進(jìn)行采集。至東山橋采集結(jié)束之后，船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)需要初始化等待20 min，然后關(guān)閉相機(jī)電源、掃描儀電源，最后將設(shè)備拆除、拷貝數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)加以整理。采集所得數(shù)據(jù)主要包括POS數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是同時(shí)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)的，真正實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的同步采集與存儲(chǔ)。

3）注意事項(xiàng)。由于車載與船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)間的差異，在進(jìn)行實(shí)地采集工作之前，需要根據(jù)待采集區(qū)域的實(shí)際情況保證數(shù)據(jù)采集精度和作業(yè)效率，制定數(shù)據(jù)采集的相關(guān)策略，進(jìn)行線路與人員的規(guī)劃。在進(jìn)行外業(yè)采集時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下問題：① 初始化。開啟POS采集之后，一般街景采集只需要使車身靜止5 min即可，但在河景采集中，無法使水面保持絕對靜止，所以需靜止20 min，在靜止的20 min期間，需要盡量避免船身搖晃。在采集開始前，需尋找衛(wèi)星信號較好地段，使衛(wèi)星信號達(dá)到45 dB且有效衛(wèi)星數(shù)目為5顆以上才可達(dá)到預(yù)定的定位精度。在采集開始前，需驗(yàn)證當(dāng)前的INS收斂角度。一般而言，當(dāng)航向角收斂值小于0．2°時(shí)，才可保證測量精度。如果航向角收斂值大于0．2°，可以使船在河面上進(jìn)行S型路線行駛，航向角達(dá)到指定要求后再正常行駛。采集過程中如果出現(xiàn)GPS漂移的情況，需要重新啟動(dòng)移動(dòng)測繪系統(tǒng)后再繼續(xù)進(jìn)行采集作業(yè)。② 采集速度控制。與車載移動(dòng)測繪系統(tǒng)相比，船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)的影像拍攝的觸發(fā)模式設(shè)置會(huì)有所不同。車載移動(dòng)測繪系統(tǒng)多為里程觸發(fā)，需要安裝輪胎編碼器，一般時(shí)速為25～30 km/ h，大約每7 m拍攝一組照片。由于船速不穩(wěn)定，船載移動(dòng)測繪系統(tǒng)的影像采集模式設(shè)置為時(shí)間觸發(fā)，在時(shí)速15 km/h情況下，一般每1．7 s拍攝一組照片。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

移動(dòng)測繪系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)必須經(jīng)過相關(guān)處理方可被其他應(yīng)用使用，原始數(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、點(diǎn)云融合、影像拼接、生產(chǎn)與發(fā)布等步驟。

1）數(shù)據(jù)聯(lián)合解算。數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的目的是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一。根據(jù)儀器校正成果以及通過IE計(jì)算，可以得到較好的解算成果。

2）實(shí)景影像拼接。全景圖分為柱面全景圖和球面全景圖，本文中涉及到的全景圖是球面全景圖，是將圖像投影到以觀察者為中心的球面上，根據(jù)觀察者視點(diǎn)展現(xiàn)出的場景，所有的場景都是連續(xù)的，可以通過拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵選擇相應(yīng)的視點(diǎn)進(jìn)行瀏覽。

圖像拼接技術(shù)是全景圖生成的核心技術(shù)，其關(guān)鍵是找到兩幅圖像中的重疊區(qū)域，然后將重疊區(qū)域進(jìn)行圖像融合，使得重疊區(qū)域的場景能夠自然過渡。根據(jù)配準(zhǔn)信息，可通過軟件自動(dòng)完成影像拼接。需要注意的是，由于現(xiàn)有的影像拼接算法都有一定的局限性，在拼接完成后應(yīng)逐幅對影像進(jìn)行優(yōu)化，消除拼接縫隙。

3）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。與全景影像數(shù)據(jù)相比，激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較高的精度和更高的維度，因此應(yīng)以激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合、校正全景影像數(shù)據(jù)，生成混合彩色離散點(diǎn)，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)既包含地物的空間位置信息，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較明顯的偏差，應(yīng)手工進(jìn)行調(diào)整，完成點(diǎn)云與影像的精確匹配。

4）河景影像生產(chǎn)。河景影像生產(chǎn)包括模糊處理、深度圖生成、面片提取、影像切片與入庫等步驟。① 模糊處理。模糊處理的主要作用是對涉及到的個(gè)人相關(guān)隱私數(shù)據(jù)作相關(guān)模糊化處理。比起道路來，河道周圍環(huán)境較為空曠，需要處理的隱私信息并不多，不需要考慮特別的算法，直接通過人工對所涉及的人臉區(qū)域進(jìn)行均值濾波處理即可。②深度圖生成?？筛鶕?jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成每一幅影像的深度圖信息，并以此作為量測的基礎(chǔ)。③面片提取。建筑物區(qū)域提取與分類具有廣泛的應(yīng)用，一是有助于實(shí)現(xiàn)對河景信息的自動(dòng)分類，二是有助于建筑物目標(biāo)識別和三維重建，提高識別和三維重建的精度和效率，彌補(bǔ)深度圖分辨率不均勻的缺陷。本文通過點(diǎn)云的直線特征直接在點(diǎn)云頂視圖上進(jìn)行建筑物立面的面片提取。④軌跡編輯。對采集軌跡進(jìn)行編輯，形成拓?fù)湫畔?。⑤影像切片與入庫。為符合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的共享和發(fā)布，應(yīng)對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行切片與入庫。

5）河景影像發(fā)布。開發(fā)河景瀏覽、二維地圖聯(lián)動(dòng)、信息查詢、三維空間量測以及沿河水利工程管理等功能，實(shí)現(xiàn)水利河景應(yīng)用。系統(tǒng)界面如圖2所示。

3 結(jié) 語

通過研究和實(shí)踐，本文形成了船載環(huán)境下移動(dòng)測繪系統(tǒng)的安裝、采集與數(shù)據(jù)處理方案，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，進(jìn)行河景影像的生產(chǎn)。

圖2 河景三維應(yīng)用界面

河景三維技術(shù)能夠快速、全面地獲得詳細(xì)的河道、航道、水岸及近岸水上的地形和環(huán)境信息，可為水利工程的數(shù)字化管理、開發(fā)規(guī)劃、應(yīng)急指揮、災(zāi)害監(jiān)測、水利工程治理提供高精度、高現(xiàn)勢性的地理空間信息數(shù)據(jù)支撐。另一方面，移動(dòng)測繪系統(tǒng)也可以結(jié)合多波束水下地形測量技術(shù)，借助船載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水上水下一體化移動(dòng)測量，從而得到水上水下河道三維數(shù)字河道信息。

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[5] 麥照秋,陳雨,鄭煒,等．IP-S2移動(dòng)測量系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用[J]．測繪通報(bào), 2010(12):23-26

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[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

呂志慧，高級工程師，主要從事測繪三維科研和應(yīng)用工作。

2015-10-22。

項(xiàng)目來源：江蘇省測繪地理信息科研資助項(xiàng)目（JSCHKY201422）。