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      激光點云與影像點云辨析

      2017-08-28危遲《測繪通報》
      摘要:三維激光掃描儀獲取激光點云數據,相機獲取影像數據,將兩種數據配準融合后,處理成同時保留三維幾何信息以及地物光譜信息的影像點云數據。本文將從采集獲取、可視表達、數據處理、以及應用場景等方面,對激光點云與影像點云進行對比分析。
      關鍵字:點云、全景像片、測量
      一、引言
      三維激光掃描技術是一種獲取城市三維空間數據的新手段,20世紀末出現后,該技術逐漸成為攝影測量、遙感等領域的研究熱點。按照載荷平臺的差異,三維激光掃描主要分為地面、車載和機載三類。其中地面激光掃描儀如國外的Faro Focos3D、國內的LS300等通常被安置地面三腳架上,車載激光掃描儀如iScan移動測量系統等安置在汽車上,機載激光雷達主要在飛機、熱氣球等移動搭載平臺上進行應用。
      隨著光學、電子學的不斷發展,GPS技術、慣性導航技術、CCD影像及激光測量技術的發展與成熟,多平臺和多傳感器集成技術成為獲取地球空間信息的一種趨勢,在數據處理和應用方面,已經不是簡單利用單一的點云數據或構建地面數字模型,而是向多源數據融合以及更深入的應用發展。
      以iScan移動測量系統為例,其裝載的激光掃描傳感器可實時獲取路測地物的三維幾何信息,360度全景相機可獲取大幅面的街景信息。將影像數據和三維激光點云數據進行融合處理,得到具有真實顏色信息的地物點云信息,從而在地物識別、分類、三維建模等方面發揮重要的作用。
      二、激光點云與影像點云
      三維激光點云是指由三維激光掃描儀采集,同一空間參考系下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。具有密度大,精度高、數據量大等特點,如圖1所示。
      圖1 激光點云-按強度渲染
      三維激光掃描儀直接利用發生激光器對物體進行測量,直接獲取物體表面的三維激光點云坐標數據,并返回地物反射信號的強度,但是難以獲得地物的光譜信息,這給三維激光點云數據的處理和理解帶來了很大的困難。為了解決這個問題,可利用數碼相機對被測物體拍攝若干照片,利用數碼影像豐富的光譜信息來彌補三維激光點云的不足,將點云數據與影像數據進行配準,融合兩者信息,這就是影像點云數據,如圖2所示為使用武漢海達數云技術有限公司的iScan移動測量系統采集獲取的影像點云數據。
      圖2 影像點云-街景應用場景
      三、對比辨析
      (1)采集獲取
      激光點云數據的采集硬件設施需要三維激光掃描儀。按照載荷平臺的不同,可以分為手動式、地面站式、車載移動式以及機載激光點云數據。使用三維激光掃描儀對目標進行掃描,即可完成激光光點云數據采集工作。與之相比,影像點云除了需要三維激光掃描儀外,還需要相機進行光譜信息的采集,獲取影像的數據。在實踐的過程中,一般而言,針對室內的小場景,可以使用掃描儀內置相機進行采集,也可使用外置相機配合地面激光掃描儀采集數據,如LS300地面站掃描儀,而對于室外的街景應用場景,可以使用全景相機配合車載激光掃描系統完成數據采集工作,如iScan系統使用360度高清全景相機。
      (2)可視表達
      三維激光掃描儀對目標地物進行掃描,獲取目標點的距離以及反射強度值,從而進行坐標解算,獲取目標表面的空間坐標,表現為三維空間中的“點云”。在計算機上進行渲染時,一般可以通過點云的強度信息、距離信息、高程信息等進行渲染,用來進行可視化表達。對于影像點云,狹義上的可視化表達一般為將影像作為前景點云作為背景,兩者進行疊置顯示,如國內百度上線的激光全景,其實質上是影像點云的一種,提供更佳的真三維體驗。
      (3)數據處理
      激光點云數據處理過程,主要是基于點云數據的處理,包括多視測站點云數據的拼接、點云數據去噪、點云編輯、點云分類等等,可有點云預處理軟件完成。預處理過程后,再根據下階段具體應用需求(如數字測圖、三維建模等)進行進一步的處理,從而獲取所需的成果物。影像點云需要進行影像與點云的配準工作,計算出影像數據與點云數據之間的變換參數,完成信息融合,采用點云提供精度、影像提供辨識度的方式,獲取成果數據。
      (4)行業應用
      在數字城市三維建模領域,激光點云能夠從點云數據出發,重建實物的模型,提取相應的幾何信息,真實的反映對象的尺寸大小,具有所見所得的量測功能。
      在文化遺產保護行業應用領域,激光點云數據的應用主要有虛擬修復、文物變形監測、文物測量建模、石窟石刻文物保護測繪、館藏文物保護與修復、大型文化遺產保護、文物體積計算、野外考古現場測量。
      在地形勘測領域,主要包括地形測量、高陡邊坡滑坡監測、潰壩監測和堰塞湖調查、地質和危巖體調查、巖體結構面統計、復雜挖填方工程方量計算、壩體逆向工程建模等方面,激光點云相較于影像點云更加適用。
      互聯網街景地圖服務應用,由于激光點云數據的海量性特點,以及互聯網環境下數據傳輸的數據量要求,影像點云數據更加適用,通過一定的技術手段,將點云數據中包含的精確三維坐標信息轉換成小數據量的形式,同時配合影像數據提供的直觀信息,在街景地圖服務應用場景下,發揮用武之地。
      四、總結
      以全球定位系統(GPS)、遙感技術(RS)以及地理信息系統(GIS)技術為代表的現代測繪科學技術,使測繪科學從理論到手段都發生了根本性變化,步入一個新階段。三維激光掃描技術作為一種先進的測繪手段,在各個行業中的應用領域和范圍正在不斷擴大,其獲取的激光點云數據在實際的應用場景中,根據不同的需求進行處理,可以轉換成為不同數據形式。激光點云與影像點云是三維掃描技術獲取的新型的數據,兩者并無高低優劣之分,只有適用應用場景之不同,深入的挖掘數據的潛在信息,以便在各自的適用領域之內,提供更好的服務。
      參考文獻:
      (1)侯艷芳,葉澤田,楊勇.基于POS數據的車載面陣CCD影像與激光點云融合處理研究[J].遙感應用,2011.04:76-79.
      (2)劉昌軍.三維地面激光掃描技術的應用進展.南方報紙,http://www.southsurvey.com/public/dianzhineiye.php?id=363.
      (3)iScan一體化移動三維測量系統.中海達,http://www.zhdgps.com/ProductInfo.aspx?id=225.
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