機載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)構(gòu)建

王呂梁+郭唐永+李世鵬+朱威+王磊

摘 要：三維激光測繪已廣泛應(yīng)用于城市測繪中，機載三維激光掃描儀是當(dāng)前測繪領(lǐng)域的一個新標(biāo)桿，但大部分技術(shù)仍由國外壟斷，研發(fā)機載三維激光掃描儀和相配套的軟件尤為必要。機載三維激光掃描儀研制需要從硬件和軟件兩個部分著手，從掃描儀得到原始點云數(shù)據(jù)后，通過相應(yīng)軟件對數(shù)據(jù)作后期處理，設(shè)計出友好的交互界面，展現(xiàn)場景，實現(xiàn)三維重構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機載激光掃描儀； 點云； 三維重構(gòu)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162060

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0087-02

0 引言

機載三維激光測量技術(shù)是一項前沿性研究課題[1]。機載三維激光掃描儀具有很多傳統(tǒng)測繪儀器無法比擬的優(yōu)越性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2]，如地形測繪、災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測、森林?jǐn)?shù)字高程圖獲取、城市三維建模等，還應(yīng)用于工程建設(shè)、逆向工程、電線管道布局、3D打印等領(lǐng)域。我國大部分激光掃描儀主要靠國外公司提供相關(guān)技術(shù)支持。研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機載三維激光掃描儀具有重要意義。本文以掃描儀系統(tǒng)硬件為出發(fā)點，介紹硬件系統(tǒng)架構(gòu)及其技術(shù)難點，針對硬件特點分析軟件功能需求，最后利用點云庫完成軟件系統(tǒng)開發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1 硬件架構(gòu)分析

本系統(tǒng)分為儀器和軟件兩個部分。儀器設(shè)計需滿足測量要求，實現(xiàn)高速精準(zhǔn)掃描、全波段數(shù)據(jù)采集，具有效率高、可靠性好、便于維護等特點。儀器系統(tǒng)主要由6個部分組成，即激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)掃描鏡與收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時間測量系統(tǒng)、高精度頻率源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 儀器功能實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)的核心為掃描鏡收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時間測量與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。收發(fā)光路系統(tǒng)主要包括卡塞格林望遠鏡、變焦擴束準(zhǔn)直系統(tǒng)、窄帶光濾波等。由于激光的單色性較好，主要對藍綠光波進行接收，采用可變增益的PMT光電倍增管，實現(xiàn)100dB的動態(tài)接收范圍，確保能夠接收到微弱的回波信號。

掃描儀測距由一個高精度時間測量系統(tǒng)實現(xiàn)，采用FPGA搭建控制電路來控制時間脈沖觸發(fā)，采用先進的時間頻率測控技術(shù)馴服高穩(wěn)定度的銣原子鐘，將高穩(wěn)定度、低相噪雙槽恒溫晶振鎖定在銣原子鐘上，將GPS衛(wèi)星的長期穩(wěn)定性原子頻標(biāo)的中期穩(wěn)定性與高穩(wěn)晶振的短期穩(wěn)定性完美結(jié)合，使采樣頻率同步在GPS原子鐘信號上，保證激光掃描儀的探測精度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速數(shù)字采集卡和磁盤陣列存儲服務(wù)器構(gòu)成。高速數(shù)字采集卡將光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。機載三維激光掃描儀的探測發(fā)射脈沖寬度小于5ns，保證回波脈沖數(shù)據(jù)采集時不失真，系統(tǒng)設(shè)計的回波采樣率達到1GHz，采樣位數(shù)為12位。

2 系統(tǒng)需求分析

機載三維激光掃描儀主要用在測繪領(lǐng)域，分為近距離和遠距離兩種，其中遠距離激光主要是激光雷達系統(tǒng)，近距離掃描儀主要為微軟的Kinect[3-4]。

機載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)關(guān)鍵為點云數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析處理及場景重建。所設(shè)計的軟件要能夠處理掃描儀的原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)分析處理、濾波精簡、三維重建等。

軟件系統(tǒng)主要由4個部分組成，包括數(shù)據(jù)讀寫、點云顯示、濾波、網(wǎng)格重建[5]。實現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)處理和使用，與掃描儀器構(gòu)成一套完備的測繪系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于點云讀寫存儲、濾波和網(wǎng)格重建。基于QT平臺和PCL（Point Cloud Library），通過CMake編譯VTK（Visualization Toolkit）QT插件，實現(xiàn)可視化與點云庫協(xié)同操作，由QT提供交互界面。

點云讀寫存儲由PCL提供的IO類繼承而來，主要針對PCD格式的點云數(shù)據(jù)和PLY格式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[6]，格式統(tǒng)一，便于數(shù)據(jù)處理。讀取點云數(shù)據(jù)時先根據(jù)文件后綴判斷格式，是否以.pcd或者.ply格式結(jié)尾，是則讀取，否則返回。讀取后對數(shù)據(jù)進行稀疏判斷，若為密集數(shù)據(jù)，則從數(shù)據(jù)中剔除NAN字符，完成數(shù)據(jù)讀取。同理，完成點云的存儲操作，作下一步處理，讀取點云數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

QString filename = QFileDialog：：getOpenFileName（this， tr（"Open Point Cloud"），"D："，tr（"Point Cloud Data（*.pcd *.ply ）"））；

PCL_INFO（"File chose： %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；

pcl：：PointCloud：Ptr cloud_tmp（new pcl：：PointCloud）；

if （filename.isEmpty（））

return；

int return_status；

if （filename.endsWith（".pcd"， Qt：：CaseInsensitive））

return_status = pcl：：io：：loadPCDFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；

else

return_status = pcl：：io：：loadPLYFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；

if （return_status ！= 0）

{

PCL_ERROR（"Error reading point cloud %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；

return；

}

//To determine whether the point cloud is dense or not

if （cloud_tmp->is_dense）

{

pcl：：copyPointCloud（*cloud_tmp， *cloud）；

}

else

{

PCL_WARN（"Cloud is not dense！ Non finite points will be removed＼＼n"）；

std：：vector vec；

pcl：：removeNaNFromPointCloud（*cloud_tmp， *cloud， vec）；

}

點云的視圖切換操作通過設(shè)置相機的位置矩陣函數(shù)setCameraPosition（）實現(xiàn)，通過給定不同的矩陣參數(shù)，用戶可以快速切換點云視角，選擇出最好的視角場景效果。由編譯后的VTK庫生成的QVTKWidget控件提供視圖操作，用戶可以實現(xiàn)平移旋轉(zhuǎn)與縮放等基本三維可視化操作。

點云濾波分為直通濾波、體素柵格濾波和統(tǒng)計學(xué)外點移除濾波3個部分。這些濾波方法主要目的是精簡數(shù)據(jù)，去除飛點等噪聲點，減小數(shù)據(jù)體積，優(yōu)化點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便可視化操作和下一步數(shù)據(jù)處理，提高點云質(zhì)量和計算速度。其中統(tǒng)計學(xué)外點移除濾波部分代碼如下：

PointCloudT_XYZ：：Ptr cloud_filtered（new PointCloudT_XYZ）；

pcl：：StatisticalOutlierRemoval outlierRemoval；

outlierRemoval.setInputCloud（cloud）；

outlierRemoval.setMeanK（ui->lineEditMeanK->text（）.toInt（））；

outlierRemoval.setStddevMulThresh（ui->lineEdit_StddevMulThresh->text（）.toDouble（））；

outlierRemoval.filter（*cloud_filtered）；

pcl：：copyPointCloud（*cloud_filtered， *cloud）；

點云的網(wǎng)格生成由貪婪投影三角網(wǎng)格化、柵格投影網(wǎng)格化和移動最小二乘法3個部分組成。貪婪投影三角網(wǎng)格化實現(xiàn)無序點云的快速重構(gòu)，性能良好。柵格投影網(wǎng)格化計算速度稍慢，但可以實現(xiàn)破面、孔洞等的修復(fù)，柵格大小由用戶界面設(shè)置。移動最小二乘法采用的是多項式插值方法，設(shè)置鄰域點的個數(shù)和多項式階數(shù)，在該范圍內(nèi)多項式擬合，擬合后的曲面進行估計法線，使法向量有序化，再對設(shè)置半徑范圍內(nèi)的點采樣處理，讓點云分布均勻，完成這些操作后再進行存儲，進一步網(wǎng)格化重建模型，得到的網(wǎng)格更加致密光滑。移動最小二乘法的實現(xiàn)代碼如下：

pcl：：search：：KdTree：：Ptr tree（new pcl：：search：：KdTree）；

mls.setInputCloud（cloud）；

mls.setSearchMethod（tree）；

mls.setPolynomialFit（true）；

mls.setPolynomialOrder（ui->lineEdit_MLS_setPolynomialOrder->text（）.toInt（））；

mls.setComputeNormals（false）；

mls.setSearchRadius（ui->lineEdit_MLS_setSearchRadius->text（）.toDouble（））；

mls.setUpsamplingMethod（mls.SAMPLE_LOCAL_PLANE）；

mls.setUpsamplingRadius（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingRadius->text（）.toDouble（））；

mls.setUpsamplingStepSize（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingStepSize->text（）.toDouble（）

mls.process（*outputCloud）；

4 結(jié)語

通過機載三維激光掃描儀系統(tǒng)構(gòu)建，探討了機載三維激光掃描儀技術(shù)，實現(xiàn)了儀器高速數(shù)據(jù)測量、采集和數(shù)據(jù)處理。配合編寫的機載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)的讀寫、精簡濾波與三維重建，完成了設(shè)計要求和精度要求，具有一定的應(yīng)用推廣價值。后期研究中，將在儀器方面提高數(shù)據(jù)高采樣頻率、改進掃描點的算法、提高數(shù)據(jù)傳輸實時性及增大極限掃描距離等，在軟件方面提高軟件的穩(wěn)定性、增加線程操作、優(yōu)化算法、支持更多點云格式文件的操作、改善用戶體驗等，為三維激光掃描儀提供更多的技術(shù)支持。

參考文獻：

[1] 黨夢林，裴海龍. 基于QT的機載三維激光地形測繪軟件構(gòu)建[J]. 計算機測量與控制，2013（4）：1084-1086+1089.

[2] 張小紅. 機載激光雷達測量技術(shù)理論與方法[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2007.

[3] 李世鵬，郭唐永，羅青山，等.海陸一體機載激光掃描儀的設(shè)計[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2013（S2）：58-60，70.

[4] 鐘棉卿. 機載激光雷達系統(tǒng)初步方案研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2012.

[5] 陳鑌. 機載激光測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[6] 朱德海.點云庫PCL學(xué)習(xí)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

（責(zé)任編輯：陳福時）