EDL渲染在點(diǎn)云測圖中的應(yīng)用

（中煤航測遙感集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展研究院，陜西西安 710199）

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging LiDAR）能夠快速地獲取高精度、大密度的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)[1]。移動激光雷達(dá)系統(tǒng)有車載、機(jī)載、船載人工背負(fù)等多種工作平臺。使用移動激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測量，可有效解決傳統(tǒng)作業(yè)方式效率低，受地形環(huán)境等因素限制較大的情況[2]。隨著科技的進(jìn)步，快速獲取高精度點(diǎn)云地形數(shù)據(jù)促使裸眼3D測圖的提出。

目前市場上常用的裸眼3D測圖方式有：基于三維模型的裸眼3D測圖、基于高精度點(diǎn)云的裸眼3D測圖以及基于點(diǎn)云和三維模型疊加的裸眼3D測圖方式。三維模型測圖的優(yōu)勢是：模型數(shù)據(jù)具有豐富的紋理信息，結(jié)合其三維地理坐標(biāo)，即可采集出DLG矢量數(shù)據(jù)。但三維模型測圖最大的劣勢在于，高精度三維模型數(shù)據(jù)的獲取。三維模型數(shù)據(jù)需要航拍影像數(shù)據(jù)，外業(yè)實測控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過空三加密以及密集匹配等一系列煩瑣的工藝操作才可以獲取，其精度依賴于空三的精度以及密集匹配的精度，在數(shù)據(jù)生成過程中任何一步精度不滿足，都可能導(dǎo)致最后的模型數(shù)據(jù)精度不滿足測圖要求。然而，三維模型測圖的劣勢，正是點(diǎn)云測圖的優(yōu)勢。隨著激光LiDAR技術(shù)的發(fā)展，能夠快速地獲取高精度的滿足測圖要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)測繪，直接采用點(diǎn)云測圖的數(shù)據(jù)采集模式具有明顯優(yōu)勢。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿足精度要求的情況下，不需要空三加密，不需要立體眼鏡、手輪腳盤，普通作用人員只需要一臺普通筆記本就可以進(jìn)行高精度測圖。相對于傳統(tǒng)測繪方式，節(jié)省了80%以上的野外采集、調(diào)繪工作，縮短了成圖周期，大幅度降低了生產(chǎn)成本；相較于模型測圖，省去了空三加密和密集匹配以及控制點(diǎn)量測等一系列步驟，提高了生產(chǎn)效率。

然而點(diǎn)云測圖的劣勢在于直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺少豐富的紋理信息。尤其是單純依靠高精度高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實現(xiàn)大比例尺全要素地物采集時，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺少紋理信息，很難進(jìn)行全要素的地物區(qū)采集。在裸眼3D測圖中，有人采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)疊加的方式測圖。DLG采集矢量的精度由點(diǎn)云數(shù)據(jù)保證，采集的地物要素區(qū)分輔助模型數(shù)據(jù)。此方法要求同時獲取兩種測圖數(shù)據(jù)源，增加了生成成本。因此在點(diǎn)云測圖時，如何利用點(diǎn)云現(xiàn)有優(yōu)勢，在點(diǎn)云渲染過程中增強(qiáng)地物的輪廓信息，增強(qiáng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地物要素區(qū)分，提高點(diǎn)點(diǎn)云測圖的效率，是本文中的研究重點(diǎn)。

1 點(diǎn)云測圖

采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裸眼3D測圖的DLG生成流程如圖1所示。DLG采集、編輯、質(zhì)檢和傳統(tǒng)測繪并無不同，最大的不同在于，DLG的采編是直接在渲染后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上實現(xiàn)的。因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示是點(diǎn)云測圖的關(guān)鍵。

圖1 點(diǎn)云測圖數(shù)據(jù)生成流程圖

2 點(diǎn)云的顯示方式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含豐富的信息特征，如XYZ坐標(biāo)信息、類別、強(qiáng)度、回波次數(shù)等信息。在目前的點(diǎn)云測圖軟件中，常用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示方式有高程顯示、類別顯示、回波次數(shù)顯示、強(qiáng)度特征顯示等。任何一種顯示方式，都是根據(jù)具體的規(guī)則，計算每個點(diǎn)云的顏色信息。以點(diǎn)云按強(qiáng)度顯示為例：首先統(tǒng)計加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最大、最小強(qiáng)度值，將點(diǎn)云最小、最大強(qiáng)度值分別對應(yīng)灰度值0和255，在按灰度渲染加載的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，根據(jù)每一個點(diǎn)云的強(qiáng)度信息，線性對應(yīng)一個灰度值，計算得到每個點(diǎn)的顏色信息。

在具體點(diǎn)云測圖過程中，多種顯示方式切換用于采集不同地物要素。

3 EDL渲染

EDL（Eye-Dome-Lighting）渲染技術(shù)[3]可以使用opengl實現(xiàn)，也可以使用OSG實現(xiàn)[4]。

EDL是一種不需要法線，沿著輪廓創(chuàng)建光照表面和框架的方法。EDL渲染的關(guān)鍵是：在點(diǎn)云渲染過程中，實時計算當(dāng)前視口點(diǎn)云的深度紋理，在獲取正確的深度紋理后，結(jié)合當(dāng)前點(diǎn)云顯示方式下點(diǎn)云的顏色紋理，采用頂點(diǎn)著色器、片元著色器以及渲染到紋理技術(shù)[5]，即可實現(xiàn)點(diǎn)云在當(dāng)前顯示方式下的EDL渲染效果。開啟EDL渲染后，會在地物的輪廓部分形成陰影效果。EDL一般與可用的點(diǎn)云顯示方式配合使用，增強(qiáng)顯示點(diǎn)云地物的輪廓特征信息。

4 渲染結(jié)果對比

本文中使用的點(diǎn)云測圖軟件為西安煤航技術(shù)發(fā)展研究院自主開發(fā)的點(diǎn)云測圖軟件MapCube。本文的實驗數(shù)據(jù)選取的是城區(qū)的點(diǎn)云。選擇了點(diǎn)云常用的高程顯示和類別顯示。圖2（a）、圖3（a）均表示沒有EDL渲染的點(diǎn)云顯示效果，由圖可見，除了房子、樹木，很多地物要素是很難區(qū)分出來的；圖2（b）、圖3（b）均表示開啟EDL渲染后的點(diǎn)云顯示效果，由圖可見，可識別的地物要素的種類明顯增多。在點(diǎn)云測圖過程中，有助于提高點(diǎn)云的測圖效率。

圖2 點(diǎn)云在高程模式下的EDL渲染前后對比圖

圖3 點(diǎn)云在類別模式下的EDL渲染前后對比圖

5 結(jié)語

裸眼3D測圖是測繪發(fā)展的必然產(chǎn)物。點(diǎn)云的優(yōu)勢在于快速地獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)就是紋理信息的缺失。EDL渲染，增強(qiáng)了地物的輪廓信息，豐富了點(diǎn)云數(shù)據(jù)可見的地物類別，能夠提高點(diǎn)云測圖的效率。