基于三维激光点云在城市三维实景数据制作的应用

    陈坚+韩飞

    摘要：本文目的根据三维点云技术在不同行业的适用性，主要介绍机载三维点云扫描技术在城市大范围三维实景数据制作中的作用。根据点云数据Microstation+TerraSolid软件构建具有真实尺寸的地形数据产品。

    关键词：三维激光点云；机载LiDAR；城市三维实景数据

    1.引言

    三维激光扫描技术是指生产点云来表示三维激光扫描仪，依靠三维激光扫描系统的技术是近年来开发的。它在一些国家和领域已经发展成熟并得到广泛应用。

    它是集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取的手段与工具，这一技术在国际上处于领先水平，而在国内目前也逐渐的发展起来了。

    2.机载三维点云扫描

    机载激光雷达扫描系统是一种机载激光探测和测距系统，其安装在飞机上。它可以测量地面物体的三维坐标。机载上的激光雷达它是一种系统、主动的观测系统。这是一个由全球发达国家投入它集成激光测距技术，计算机技术的商业应用全新技术，惯性测量单元（IMU）/DGPS差分定位技术中的一种，在三维空间信息的实时化、采集化有了重大突破，为高时空分辨率全球空间数据信息提供了一种跨时代的技术手段。具有自能化程度好、受天气影响小、数据制作迅速、精准度高。

    机载激光雷达上面的传感器发射的激光脉冲有部分穿透防护林的功能，直接获取高精度三维地形数据，三维激光数据经过数据处理软件可以生成高精度的数字地形模型，等高线图，与传统的X线头影测量和地面常规测量技术所无法替代的优越性和机载激光雷达技术的商业应用，映射如生成DEM，轮廓线和更方便的特征自动提取，地面数据处理软件将之综合到各种数字地图中。

    3.技术原理与特点

    机载激光雷达使用激光脉冲传输和接收地面三维信息的直接检测地面三维信息。主要构成为：

    激光雷达发射/GMS接收系统——激光回光测距；

    扫描系统——激光单一瞬间发散角度测量；

    GPS系统——位置高精度测量；

    IMU系统——姿态高精度测量。

    激光雷达综合利用惯性导航获得三个方位角，通过全球定位系统获取激光扫描仪中心（X、X）坐标，然后再使用激光扫描仪获取激光扫描仪中心到地面的距离，可计算出相应的地面激光点目前空间坐标（X，Y，Z），即是根据激光发射点位置、姿态、瞬间扫描角度、激光探测距离，快速测量出每个地物点的三维信息。基于飞行载体，通过大角度“Z”形扫描方式，快速大面积获取地物三维信息。

    4.数据处理

    1）数据提取。原始数据输入到POS软件是专业的数据提取模块提取数据，GPS，IMU传感器数据和辅助数据。

    2）GPS数据的拟合。在原有的GPS数据的POS数据和 GPS数据从提取的数据为基础，从站的GPS数据，然后进行基于数据的软件。

    3）计算外定向元素。精确的GPS定位数据，数据和辅助数据是IMU传感器加载的软件计算的解决方案，得到的是6个方位元素。

    4）设置大气校正的参数范围，飞机扫描仪的验校准，和POS误差标准参数并添加雷达原始数据文件和POS产生外方位文件。

    5）设置输出文件路径，然后选择输出文件格式和相应文件选项，运行后产生得到的的LAS文件，使用点云数据LAS格式使用编辑软件

    6）数据显示和查看。参照根据高度强度、地物条件、回波信息等来制成数据。

    7）创建不同类型的图层。创建一个层的噪音点，糕点层，植被图，建筑层。在随后的处理中继续进行各种类型的处理，各点属于相应的层。

    8）所有的点被分类成默认的类，并且该行被引入来删除默认类中的冗余点。

    9）噪音点。一般根据绝对高度或设置阈值，以消除明显异常。也可以基于其他滤波算法去修改噪声点。

    10）点云分类。根据多相呼应的植被分类，再从中提取出的高点，再从地上分离出的水和建筑物。

    11）建模构成。从地面点提取一定密度的点建立地面模型，也可以被添加到建筑，将模型输出的最后是XYZ格式文件。

    5.主要产品

    使用激光扫描仪得到的中心的距离地面激光扫描仪，可以计算相应的地面激光点的空间坐标（X，Y，Z）。同时获取正确的三维激光点云数据的范围和真彩色数字图像影像数据，和RGB算法得出的正射影像，只是一个航帶就可以获得丰富的地理信息，可以提供多种类型测绘产品，比如4D产品，3D景观，城市DEM等。

    总结：本文简单介绍的介绍了三维激光点云获取的方式、技术流程、工作原理等，基于三维激光点云数据和图像数据制作数字高程模型（DEM）和数字正射影像图（DOM），作为一个城市实景三维数据的地形数据，根据三维激光点云的特点，下一步可以构建一个真实的三维信息模型，随着智能城市的发展应用，越来越多政府职能部门迫切需求更真实，且完整的、精度高的三维空间数据作为智能城市空间载体。一方面，恢复城市的自然真实面貌，提供完整的空间信息服务于用户。例如建筑、桥梁、道路、树木等，让三维模型的信息更加直观，达到越来越容易使用和更广泛的应用；另一方面，更好的减少三维数据的生产日期，为智能城市提供及时、有效的空间数据信息。

    参考文献

    [1]蒋仁军.基于激光雷达的三维建模技术在昆明数字城市醒目中的应用[J].红水河，2010.

    [2]尚青波.激光LiDAR数据在三维城市模型中的应用[J].科技情报开发与经济，2010.