武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司 楊 峰

一、引 言

近年來(lái)，搭載著三維激光技術(shù)的產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)，如國(guó)外的Faro地面三維激光掃描儀、國(guó)內(nèi)的LS300地面三維激光掃描儀和iScan移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)等，其在推動(dòng)著地理信息領(lǐng)域變革的同時(shí)，在其他許多領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如街景地圖、數(shù)字博物館、基于LBS的2.0服務(wù)等，無(wú)不是時(shí)下最熱門(mén)的討論話題。

三維激光掃描儀能同時(shí)獲取兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品——激光點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)各有優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng)。如何有效地結(jié)合三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)，更好地為行業(yè)應(yīng)用特別是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，是本文研究的目的和意義所在。

二、影像點(diǎn)云

三維激光掃描儀利用發(fā)生激光器對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量，能夠快速獲取物體表面的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并返回地物反射信號(hào)的強(qiáng)度，這就是三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都是目標(biāo)的三維坐標(biāo)，其空間分布較為離散，而且利用強(qiáng)度生成的灰度影像在視覺(jué)上并不直觀；另外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的海量特性給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。單純利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，難以對(duì)地物進(jìn)行分類和測(cè)量，制約著點(diǎn)云的應(yīng)用。

如果有目標(biāo)地物的影像數(shù)據(jù)，利用影像豐富的光譜信息來(lái)彌補(bǔ)三維激光點(diǎn)云的不足，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可提供具有真實(shí)彩色的點(diǎn)云，大大提高點(diǎn)云可視化的效果。三維激光點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)結(jié)合使用，對(duì)目標(biāo)的描述具有互補(bǔ)性，這就是影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

互聯(lián)網(wǎng)街景地圖及數(shù)字博物館應(yīng)用，需要高分辨率、高質(zhì)量的全景影像作為前端展現(xiàn)，直觀地將場(chǎng)景呈現(xiàn)給用戶；也需要三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供與前端交互的數(shù)據(jù)運(yùn)算服務(wù)，影像點(diǎn)云在這樣的場(chǎng)景下將發(fā)揮其用武之地。由于激光點(diǎn)云的海量性，以及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要求，通過(guò)一定的技術(shù)手段，將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含的精確三維坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成小數(shù)據(jù)量的形式，同時(shí)配合影像數(shù)據(jù)提供的直觀信息，在街景地圖服務(wù)和數(shù)字博物館應(yīng)用場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)基于影像點(diǎn)云的全景量測(cè)服務(wù)，是本文下節(jié)重點(diǎn)闡述的內(nèi)容。

三、全景量測(cè)

市面上主流的三維激光掃描儀大部分通過(guò)內(nèi)置的相機(jī)同步獲取影像數(shù)據(jù)，直接提供彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但影像的分辨率、對(duì)焦和曝光質(zhì)量等并不能滿足行業(yè)應(yīng)用的需要，在實(shí)際應(yīng)用中，主要運(yùn)用外置相機(jī)采集高分辨影像數(shù)據(jù)。

三維激光點(diǎn)云和高分辨率全景影像數(shù)據(jù)要形成影像點(diǎn)云，必須解決兩者的配準(zhǔn)映射問(wèn)題:即通過(guò)三維激光點(diǎn)云找到對(duì)應(yīng)影像像素，進(jìn)行點(diǎn)云著色；反之以全景影像作為展現(xiàn)載體，通過(guò)影像像素坐標(biāo)找到對(duì)應(yīng)的三維激光點(diǎn)云，從而進(jìn)行地物量測(cè)運(yùn)算。

1.全景影像與激光點(diǎn)云配準(zhǔn)方法

1）將球面全景影像看做是單位球體，則配準(zhǔn)工作就變成單位球體三維空間與物方點(diǎn)云三維空間的配準(zhǔn)。選定3對(duì)以上不在同一平面的控制點(diǎn)，計(jì)算影像單位球體的光心位置（Xc、Yc、Zc）和姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）。

2）根據(jù)選定的全景影像像素坐標(biāo)（u，v），計(jì)算單位球體球面坐標(biāo)（x，y，z）。

3）根據(jù)控制點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)計(jì)算球體全景影像光心位置（Xc，Yc，Zc）和姿態(tài)（φ，ω，κ）。目標(biāo)點(diǎn)、像點(diǎn)、光心三點(diǎn)共線，可得出共線方程，將共線方程按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，轉(zhuǎn)換為線性方程，再用最小二乘迭代方法計(jì)算。

此外，如何通過(guò)全景影像上任意像素快速獲取點(diǎn)云坐標(biāo)也是亟待解決的問(wèn)題。海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不適合于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，需要將點(diǎn)云以某種方式存儲(chǔ)，以解決球面全景影像快速測(cè)量問(wèn)題。

2.基于深度圖的全景影像快速量測(cè)方法

配準(zhǔn)后的球面全景影像將得到光心位置（Xc，Yc，Zc）和姿態(tài)（φ，ω，κ）6 個(gè)參數(shù)，以光心位置為原點(diǎn)，搜索一定距離范圍的點(diǎn)云，將搜索到的點(diǎn)生成球面深度圖，以無(wú)壓縮的PNG格式存儲(chǔ)。深度圖的球心是全景影像的光心位置，點(diǎn)云到光心位置的距離可以以一定計(jì)算模型轉(zhuǎn)換為RGB；反之像素RGB可以轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云到光心位置的距離（如圖1所示）。

圖1 點(diǎn)云深度圖生成方法

在球面全景影像上測(cè)量時(shí)，首先獲取到鼠標(biāo)位置影像的像素坐標(biāo)（u，v）和球面角度（θ，φ），根據(jù)全景姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）可以將影像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為深度圖像素坐標(biāo)（u'，v'），獲取深度圖像像素RGB并轉(zhuǎn)換為距離值d。根據(jù)距離值d和球面角度（θ，φ）即可計(jì)算影像像素位置的三維坐標(biāo)（x，y，z）。

四、實(shí)際應(yīng)用

本文采用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司的iScan移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，采集杭州理工大學(xué)附近的一段街景數(shù)據(jù)。iScan系統(tǒng)將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊、慣性導(dǎo)航裝置、360°全景相機(jī)、總成控制模塊和高性能板卡計(jì)算機(jī)高度集成，封裝在剛性平臺(tái)中，便于安裝到移動(dòng)載體上。在載體高速移動(dòng)過(guò)程中，能快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點(diǎn)云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，使用非常簡(jiǎn)單，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 點(diǎn)云與全景配準(zhǔn)后的影像點(diǎn)云

圖3 利用點(diǎn)云南生成的深度圖

圖4 街景地圖以及全景量測(cè)

五、結(jié)束語(yǔ)

可以看出，本文提出的基于影像點(diǎn)云的可量測(cè)服務(wù)模式，是以全景影像為前臺(tái)表現(xiàn)，以點(diǎn)云為后臺(tái)支撐的全新地理空間信息應(yīng)用模式。其優(yōu)勢(shì)在于可以將海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度圖像，大大減少數(shù)據(jù)量，方便在B/S結(jié)構(gòu)的程序中進(jìn)行快速部署與測(cè)量。在街景服務(wù)、數(shù)字城市、數(shù)字博物館中均有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。