移動測量技術及其在數字城市中的應用

　　摘要：本文介紹了移動測量系統的組成及其基本工作原理，詳細闡述了該系統的關鍵技術及其應用。扼要介紹了數字城市建設與三維數字地圖的相關內容，就移動測量系統在數字城市建設中的應用及其技術和方法進行了探討和研究，并對其發展前景進行了展望。
　　關鍵詞：移動測量；數字城市；三維建模；可量測實景影像
　　
　　0 引言
　　移動測量系統是當今測繪界最為前沿的科技之一，它是在機動車上裝配GPS、IMU（慣性測量單元）、激光掃描系統、成像系統等先進的傳感器和設備，在高速行進中快速采集道路及兩旁地物的空間位置數據和屬性數據。作為一種全新的地理空間數據采集方式，移動測量技術在軍事、勘測、電信、交通管理、道路管理、城市規劃、堤壩監測、電力設施管理、海事等各個方面都有著廣泛的應用，已經成為地理空間數據采集的最好解決方案，將在地理空間數據采集與更新中發揮越來越重要的作用。
　　
　　1移動測量系統
　　移動測量系統是一種多傳感器集成的數字成圖系統，一般由移動載體（車輛）、多傳感器、車載計算機以及數據采集軟件構成，其工作原理如圖1所示。移動測量技術中的關鍵系統主要有：
　　1.1 POS系統
　　POS系統是車載移動測量系統的關鍵部件。它為移動測量系統提供高精度的絕對坐標和姿態信息，其精度直接影響了車載系統數據的整體最后精度。
　　一般的POS系統包含了GPS天線及接收機、IMU和主機。其中GPS可為系統提供絕對地理坐標，IMU可提供系統實時的三維姿態，而主機負責控制管理硬件與存儲數據。在數據后處理過程中，利用動態濾波的算法把兩種數據結合起來，形成一條完整的軌跡。
　　現實是地面情況復雜且多樣，GPS在地面容易失鎖，所以地面的POS系統常采用GPS+IMU+DMI三傳感器相結合的方式進行數據采集。在這類系統中，DMI（Digital Measurable Image）可為系統提供系統當前的狀態（靜止、前進或后退）和行駛距離。
　　1.2 激光掃描系統
　　激光傳感器是車載系統中直接獲取地物坐標的信息部件。采用激光進行測量是目前車載系統的必然趨勢，也是一次跨越式的發展。首先不會受到光線條件的影響，可以全天候作業。其次，激光發射頻率目前都可以達到上萬甚至是10萬或20萬次每秒，這也就意味著每秒鐘可以獲得相應的地物坐標，同時，地物的細節也會被完整地還原出來。此外，部分傳感器所使用的激光具備一定的穿透能力和多次回波接收能力，這樣可以獲取部分在照片無法獲取的被遮擋住的地物坐標。
　　1.3 相機系統
　　相機系統經過嚴格的檢校，帶有相關的檢校參數，具備可量測性，其所有像片均帶有GPS坐標，可以利用相關軟件進一步進行處理。像片中帶有的彩色信息可以給激光點云附上真彩色信息和提供建筑物紋理。特別要提出的是，影像系統可以根據客戶的需求自行調整位置和姿態。另外，影像庫中的影像由于帶有絕對方位元素gqhIYdUQhogwpquoKbuukQ==，因此可以實現影像中任意地物的絕對測量和相對測量，絕對測量的精度可達0.5m，相對測量精度達到厘米級。
　　
　　2三維數字地圖
　　移動測量技術能快捷制作三維數字地圖，通過劃分模型單元和管理對象，進行平面、高程、結構、紋理等數字化處理，按照統一坐標無縫拼接形成可視化三維數字模型。三維數字地圖是“數字城市”建設的重要內容，涉及計算機、虛擬現實、全數字攝影測量、GIS、三維建模等多種技術，并且許多問題還有待于開發人員解決。
　　
　　3移動測量在三維數字建模中的應用
　　三維建模就是重建城市真實地理環境，即以真實的地理空間位置再現城市現狀景觀（包括地形地貌、城市建筑與道路設施等）。要在計算機中模擬現實世界，就必須建出在多維尺度下外形、光照、質感等各方面都與真實對象相似的對象模型。
　　移動測量的激光掃描系統是一種非接觸式主動型測量系統，可進行大面積高密度空間三維數據采集，具有點位測量精度高、采集空間點的密度大、速度快等特點，且融合了激光反射強度和物體色彩等三維激光影像數據。在運動中通過激光掃描器和距離傳感器來獲取被測目標的表面形態，經由微電腦對測量資料進行內部微處理，顯示或存儲、輸出距離和角度資料，并與距離傳感器獲取的數據相匹配，最后經過相應系統軟件進行一系列處理，獲取目標表面三維坐標數據，從而進行各種量算或建立立體模型。
　　由激光掃描系統獲取的建筑物點云數據量十分龐大，含有大量的冗余信息，如建筑物周圍的樹木、路燈等，需要對其進行處理。激光掃描數據的處理過程可細分為數據的濾波、糾正、分類和特征提取與建模，采用的處理流程是：
　　（1）從數據庫中調入原始數據，根據已知參考信息對原始觀測值進行概算，將地形數據與地物數據分離；（2）對地物數據進行濾波，去除噪聲和遮擋物（如樹木等）的影響，得到建筑物數據；（3）根據建筑物特征，對連續掃描的激光測量斷面進行整體匹配糾正，得到建筑物特征；（4）根據糾正信息對原始測量數據進行重新計算，得到反映建筑物表面幾何特征的三維掃描坐標；（5）提取建筑物的高度以至特征線。
　　為了得到建筑物的整體信息，可以利用基于控制點的數據配準方法將得到的激光點云數據融合為一個整體，然后得到配準后的點云數據。最后根據獲取的地形數據、建筑物立面和頂部紋理，利用3DMAX軟件實現多邊形的處理、貼圖、光照以及投影等一系列的建模過程。在恢復空間模型的同時，直接進行三維空間信息紋理糾正，并獲得紋理信息，建立起建筑物模型。最后，建立基于地面三維測量數據的城市環境與工程建筑物的虛擬現實表示，并導入到已建好的三維場景中。
　　
　　4結語
　　移動測量的點云數據是實際物體的真實記錄，是目前各種測量方法中最精細、最快捷地對物體現狀進行檔案保存的技術手段。它包含了對象物體的空間尺寸信息和反射信息，結合高分辨率的外置數碼相機，可以十分逼真地保留物體的紋理色彩信息。使用GPS、全站儀等儀器對測站點進行大地控制點聯測后，掃描數據將置入一個統一的三維空間坐標系內，真正實現了“將地球搬回家”的夢想。由移動測量技術獲取的可視、可量測、可挖掘的實景影像可以達到厘米級的空間分辨率，在這種實景的三維數據上，可以快速地復建出被測目標的三維模型及點、線、面、體等各種已知或未來需要的實用數據。事實上，包含更多信息的、可高精度量算的近景影像資料是未來GIS所不可或缺的，移動測量技術作為地理空間數據采集的最好解決方案，在地理空間數據采集與更新中必將發揮出越來越大的作用。
　　
　　參考文獻；
　　李德仁．移動測量技術及其應用[J]．地理空間信息，2006，4（4）：1-5.
　　[2] 任海軍，文俊浩，徐玲．一種三維數字城市的構建和實現方法[J]．重慶大學學報（自然科學版），2006，29（4）：101-104．
　　[3] 陳靜，李清泉，李必軍．激光掃描測量系統的應用研究[J]．測繪工程，2001，10（1）：49-52．
　　[4] 盧秀山，李清泉，馮文灝等．車載式城市信息采集與三維建模系統[J]．武漢大學學報（工學版），2003，36（3）：76-80．