基于三維激光點云在城市三維實景數(shù)據(jù)制作的應用

陳堅+韓飛

摘要：本文目的根據(jù)三維點云技術在不同行業(yè)的適用性，主要介紹機載三維點云掃描技術在城市大范圍三維實景數(shù)據(jù)制作中的作用。根據(jù)點云數(shù)據(jù)Microstation+TerraSolid軟件構建具有真實尺寸的地形數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

關鍵詞：三維激光點云；機載LiDAR；城市三維實景數(shù)據(jù)

1.引言

三維激光掃描技術是指生產(chǎn)點云來表示三維激光掃描儀，依靠三維激光掃描系統(tǒng)的技術是近年來開發(fā)的。它在一些國家和領域已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應用。

它是集成了多種高新技術的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取的手段與工具，這一技術在國際上處于領先水平，而在國內(nèi)目前也逐漸的發(fā)展起來了。

2.機載三維點云掃描

機載激光雷達掃描系統(tǒng)是一種機載激光探測和測距系統(tǒng)，其安裝在飛機上。它可以測量地面物體的三維坐標。機載上的激光雷達它是一種系統(tǒng)、主動的觀測系統(tǒng)。這是一個由全球發(fā)達國家投入它集成激光測距技術，計算機技術的商業(yè)應用全新技術，慣性測量單元（IMU）/DGPS差分定位技術中的一種，在三維空間信息的實時化、采集化有了重大突破，為高時空分辨率全球空間數(shù)據(jù)信息提供了一種跨時代的技術手段。具有自能化程度好、受天氣影響小、數(shù)據(jù)制作迅速、精準度高。

機載激光雷達上面的傳感器發(fā)射的激光脈沖有部分穿透防護林的功能，直接獲取高精度三維地形數(shù)據(jù)，三維激光數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件可以生成高精度的數(shù)字地形模型，等高線圖，與傳統(tǒng)的X線頭影測量和地面常規(guī)測量技術所無法替代的優(yōu)越性和機載激光雷達技術的商業(yè)應用，映射如生成DEM，輪廓線和更方便的特征自動提取，地面數(shù)據(jù)處理軟件將之綜合到各種數(shù)字地圖中。

3.技術原理與特點

機載激光雷達使用激光脈沖傳輸和接收地面三維信息的直接檢測地面三維信息。主要構成為：

激光雷達發(fā)射/GMS接收系統(tǒng)——激光回光測距；

掃描系統(tǒng)——激光單一瞬間發(fā)散角度測量；

GPS系統(tǒng)——位置高精度測量；

IMU系統(tǒng)——姿態(tài)高精度測量。

激光雷達綜合利用慣性導航獲得三個方位角，通過全球定位系統(tǒng)獲取激光掃描儀中心（X、X）坐標，然后再使用激光掃描儀獲取激光掃描儀中心到地面的距離，可計算出相應的地面激光點目前空間坐標（X，Y，Z），即是根據(jù)激光發(fā)射點位置、姿態(tài)、瞬間掃描角度、激光探測距離，快速測量出每個地物點的三維信息?；陲w行載體，通過大角度“Z”形掃描方式，快速大面積獲取地物三維信息。

4.數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)提取。原始數(shù)據(jù)輸入到POS軟件是專業(yè)的數(shù)據(jù)提取模塊提取數(shù)據(jù)，GPS，IMU傳感器數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。

2）GPS數(shù)據(jù)的擬合。在原有的GPS數(shù)據(jù)的POS數(shù)據(jù)和 GPS數(shù)據(jù)從提取的數(shù)據(jù)為基礎，從站的GPS數(shù)據(jù)，然后進行基于數(shù)據(jù)的軟件。

3）計算外定向元素。精確的GPS定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)是IMU傳感器加載的軟件計算的解決方案，得到的是6個方位元素。

4）設置大氣校正的參數(shù)范圍，飛機掃描儀的驗校準，和POS誤差標準參數(shù)并添加雷達原始數(shù)據(jù)文件和POS產(chǎn)生外方位文件。

5）設置輸出文件路徑，然后選擇輸出文件格式和相應文件選項，運行后產(chǎn)生得到的的LAS文件，使用點云數(shù)據(jù)LAS格式使用編輯軟件

6）數(shù)據(jù)顯示和查看。參照根據(jù)高度強度、地物條件、回波信息等來制成數(shù)據(jù)。

7）創(chuàng)建不同類型的圖層。創(chuàng)建一個層的噪音點，糕點層，植被圖，建筑層。在隨后的處理中繼續(xù)進行各種類型的處理，各點屬于相應的層。

8）所有的點被分類成默認的類，并且該行被引入來刪除默認類中的冗余點。

9）噪音點。一般根據(jù)絕對高度或設置閾值，以消除明顯異常。也可以基于其他濾波算法去修改噪聲點。

10）點云分類。根據(jù)多相呼應的植被分類，再從中提取出的高點，再從地上分離出的水和建筑物。

11）建模構成。從地面點提取一定密度的點建立地面模型，也可以被添加到建筑，將模型輸出的最后是XYZ格式文件。

5.主要產(chǎn)品

使用激光掃描儀得到的中心的距離地面激光掃描儀，可以計算相應的地面激光點的空間坐標（X，Y，Z）。同時獲取正確的三維激光點云數(shù)據(jù)的范圍和真彩色數(shù)字圖像影像數(shù)據(jù)，和RGB算法得出的正射影像，只是一個航帶就可以獲得豐富的地理信息，可以提供多種類型測繪產(chǎn)品，比如4D產(chǎn)品，3D景觀，城市DEM等。

總結(jié)：本文簡單介紹的介紹了三維激光點云獲取的方式、技術流程、工作原理等，基于三維激光點云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），作為一個城市實景三維數(shù)據(jù)的地形數(shù)據(jù)，根據(jù)三維激光點云的特點，下一步可以構建一個真實的三維信息模型，隨著智能城市的發(fā)展應用，越來越多政府職能部門迫切需求更真實，且完整的、精度高的三維空間數(shù)據(jù)作為智能城市空間載體。一方面，恢復城市的自然真實面貌，提供完整的空間信息服務于用戶。例如建筑、橋梁、道路、樹木等，讓三維模型的信息更加直觀，達到越來越容易使用和更廣泛的應用；另一方面，更好的減少三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)日期，為智能城市提供及時、有效的空間數(shù)據(jù)信息。

參考文獻

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