劉 寶

(中國中材集團建材地勘甘肅總隊 天水三和數(shù)碼測繪院，甘肅 天水 741000)

基于移動激光掃描系統(tǒng)Trimble MX8的桿狀地物提取研究

劉 寶

(中國中材集團建材地勘甘肅總隊 天水三和數(shù)碼測繪院，甘肅 天水 741000)

介紹車載移動三維激光掃描測量系統(tǒng)的發(fā)展和特點，以及Trimble MX8系統(tǒng)的構(gòu)成和功能應用，重點闡述當前國內(nèi)學者從激光點云數(shù)據(jù)中提取桿狀地物的方法。通過選擇兩條不同的道路，在不同道路環(huán)境下應用不同的參數(shù)對桿狀地物進行提取，顯示不同的提取結(jié)果。通過對實驗結(jié)果進行對比分析得出：面對不同的道路環(huán)境，采用相適宜的參數(shù)，再加以人工細致的檢查，從激光點云數(shù)據(jù)中提取桿狀地物的結(jié)果還是可以滿足需要的。

車載；激光掃描；激光點云數(shù)據(jù)；桿；提取

三維激光掃描技術是一項新興的技術，因其采集地理信息數(shù)據(jù)的高效性、高精度性和大數(shù)據(jù)量性等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已成為獲取空間數(shù)據(jù)的一種重要技術手段。根據(jù)載體平臺的不同，此技術現(xiàn)主要分為機載、車載、地面激光掃描3種，當然還有船載以及便攜式等類型[1]。

車載移動三維激光掃描測量系統(tǒng)[2]，又稱車載移動激光雷達測量系統(tǒng)，是目前最先進的、有效的測量系統(tǒng)工具之一。它是地面激光掃描測量技術的跨越和發(fā)展，代表移動測量系統(tǒng)(Mobile Mapping System)的最新發(fā)展趨勢，可以快速獲取高密集、高精度的激光點云數(shù)據(jù)，在測量時只需在道路上行駛就能獲取兩側(cè)和地面詳盡的激光點云數(shù)據(jù)并同步得到與點云高精度匹配的影像。

車載激光測量系統(tǒng)捕捉到的信息包括道路兩側(cè)的建筑物、樹木、電燈桿、電力線、橋梁以及路面上的交通標識線等[3-7]。本文介紹桿狀地物提取的過程和方法。

1 Trimble MX8系統(tǒng)介紹

Trimble MX8系統(tǒng)是美國天寶公司推出的一款車載移動三維激光掃描測量系統(tǒng)，外形如圖1所示。

圖1 車載移動三維激光掃描測量系統(tǒng)Trimble MX8

Trimble MX8是前幾款的升級版，它采用了當今最前沿的測繪技術，集成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng)(IMU)、高精度激光雷達掃描儀(Riegl公司VQ-250掃描儀)、360度高分辨率全景相機(Ladybug3)和航位推算系統(tǒng)等先進傳感器，因而具有射程遠、點密度高、掃描精度高等特點。功能強大的移動測繪傳感器可加載在不同的測量平臺上(航空飛行器、陸地交通工具、水上交通工具和室內(nèi)小車)，以滿足不同范圍和精度的測量需求。相關硬件如圖2、圖3所示。

圖2 激光頭

圖3 相機頭

內(nèi)業(yè)后處理軟件Trimble Trident Analyst V6.0可進行移動測繪系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集管理、影像點云解譯和自動要素提取等工作，具備實用便捷的實景量測、數(shù)據(jù)圖層創(chuàng)建、目標定位和智能的自動化數(shù)據(jù)提取等功能，如數(shù)字地表模型生成、3D量測、道路標記和桿狀地物檢測、路面標識檢測、道路標線和橫斷線檢測、路面斷裂破損評定、路面影像糾正和拼接鑲嵌、道路幾何信息提取、凈空測量、數(shù)據(jù)層添加、線性參照、誤差量測和糾正、多源數(shù)據(jù)格式和ODBC接口等功能。

該系統(tǒng)可廣泛應用于數(shù)字城市建設、應急測繪、公路測量、鐵路測量、河道測量、電力線測量，還可應用于隧道測量、橋梁測量、管道測量等領域，大大提升項目生產(chǎn)效率、縮短項目周期，為快速決策、規(guī)劃、管理和應急響應等提供準確的空間信息數(shù)據(jù)。

2 桿狀地物提取

2.1 國內(nèi)學者的研究

目前，國外學者的提取算法公開的比較少，所以可供研究的不多[8]。

根據(jù)人們以前對激光的了解和使用，得知以下結(jié)論：電線桿的反射率在 0.2～0.4之間，樹木在0.1～0.3之間，公路標識牌反射率大于0.7，建筑物在0.3～0.6之間，瀝青路面反射率在0.2左右，路面中心線和路邊線在0.2～0.5之間，水面和玻璃窗戶反射率較低，激光點被吸收，反射率幾乎為0。

基于以上基礎研究，國內(nèi)學者鄒曉亮提出的算法是：針對移動車載激光掃描系統(tǒng)獲取的道路信息既包括路面和邊界信息，又包括電線桿、燈桿、護欄等附屬信息，將投影點密度的概念與電線桿的幾何特點相結(jié)合，提出了基于車載激光掃描數(shù)據(jù)自動識別和定位電線桿的方法[9]。其中，投影點密度的概念為將三維點云的坐標點直接垂直投影到水平面上，統(tǒng)計和計算落在網(wǎng)格單元中的投影點個數(shù)。

首先將車載測量系統(tǒng)獲取的激光點云投影到水平面，建立水平格網(wǎng)，設置投影點密度閾值分類出桿狀地物所在的格網(wǎng)區(qū)域；然后將分類得到的桿狀數(shù)據(jù)擬合成為一條空間直線，以電線桿的幾何特性作為期望值和方差，自動識別電線桿；最后用該空間直線與地面網(wǎng)格相交算法確定電線桿的定位位置。

同時，該算法還考慮用電線桿的幾何特性進行識別定位：電線桿高度一般在10～15 m，直徑在20～50 cm，垂直于地面，電線桿的傾斜角度不超過5°。

該算法大體包含三個步驟：1)網(wǎng)格建立；2)網(wǎng)格投影與分類；3)考慮電線桿幾何特性的識別與定位。

需要指出的是，雖然此處列舉的是國內(nèi)學者對電線桿的自動識別與定位的研究，但這對于桿狀地物的提取和定位是有非常重要的借鑒意義的。

2.2 商業(yè)化軟件的提取過程

Trimble公司的Trident Analyst V6.0軟件是一款商業(yè)化的軟件，它通過使用幾個關鍵的過濾參數(shù)來提取桿狀地物。打開相應模塊[10]，如圖4所示。

圖4 桿狀地物探測模塊

首先，添加需要處理的激光點云文件，即提取桿狀地物的激光點云文件；再看過濾選項，共有5項過濾參數(shù)：

1)最大側(cè)面偏移量：指以車行軌跡線為中心，向車兩側(cè)探測桿狀地物的最大距離范圍，默認參數(shù)為10 m，實指-10～10 m；

2)最小高度：指探測的桿狀地物的最小高度，在此高度以上的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認參數(shù)為2 m；

3)最大寬度：指探測的桿狀地物的最大寬度，在此寬度以內(nèi)的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認參數(shù)為1 m；

4)最大傾斜角度：指探測的桿狀地物的最大傾斜角度，在此傾斜角度以內(nèi)的桿狀地物才有可能作為結(jié)果數(shù)據(jù)，默認參數(shù)為7°；

5)使用GPS時間來限制提取的數(shù)據(jù)段：這項參數(shù)很容易理解，輸入起始時間點、結(jié)束時間點，軟件只提取這段時間內(nèi)點云數(shù)據(jù)里的桿狀地物。

輸出設置包括2項內(nèi)容：

1)桿狀地物圖層。這是一個點圖層，用來存儲提取到的桿狀地物的位置點；它可以由系統(tǒng)自動創(chuàng)建，也可以由用戶創(chuàng)建；此圖層必須包含兩個字段：寬度和高度，即用來存儲探測到的桿狀地物的寬度和高度；操作時，由用戶匹配好這兩個字段。

2)只添加新的桿狀地物。這里還需要輸入一個參數(shù)：搜索緩沖區(qū)半徑，它是以探測到的桿狀地物為圓心，以這個參數(shù)為緩沖區(qū)半徑畫圓，在這個圓內(nèi)，如果又探測到了新的桿狀地物，那么只在結(jié)果數(shù)據(jù)層中存儲這個新的桿狀地物，默認參數(shù)為1 m。

3 提取實例

本文為了實驗結(jié)果的可靠性和實用性，分別選取兩條具有代表性的不同環(huán)境下的道路作為實驗路段：

1)天水市秦州區(qū)至麥積區(qū)高速公路(天北高速)。此段實驗道路的特點是：高速公路，道路規(guī)則簡單，道路兩側(cè)、周圍幾乎沒有建筑物和大型樹木，掃描車周圍也沒有各種遮擋等，實景如圖5所示。

圖5 天北高速路段實景

2)天水市羲皇大道東團莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺段。此段實驗道路的特點是：典型的城市街道環(huán)境，街道兩邊有高大的建筑物，成年的高大樹木，各種狀態(tài)下的汽車等機動車輛、行人、花壇；除電燈桿之外，還有不少交通標識桿、電線桿、公安監(jiān)控桿等，實景如圖6所示。

圖6 羲皇大道東團莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段實景

下面設置不同的參數(shù)在不同的道路上進行多次探測實驗。

3.1 路段1)的提取實驗如表1所示，提取結(jié)果如圖7所示。

由表1結(jié)合道路環(huán)境可以看出，側(cè)面偏移量不能設置過大，否則軟件會探測到高速公路以外的地方；最小高度也不能設置過低，否則軟件探測的錯誤率會很高。

表1 在天北高速路段上的實驗數(shù)據(jù)

圖8所示為表1中第2次探測的部分結(jié)果。其中，圖8(a)中用圓圈線表示出的點為正確探測出的桿狀地物，方框線表示的是錯誤探測出的桿狀地物?？梢钥闯?，當把側(cè)面偏移量設置為20 m時，軟件探測的公路外側(cè)范圍加大，但探測的結(jié)果出現(xiàn)了

錯誤，探測到樹枝或樹葉上，甚至其它地物上。另外，圖8(a)需要說明的是，圖片中右側(cè)有一個路牌，它有兩個桿，但由于搜索緩沖區(qū)半徑設置為1 m，兩桿之間的距離又小于1 m，所以探測出的點只有一個，也正好印證了它是同一個地物。

圖8 路段1)的第2次探測部分結(jié)果(含錯誤探測點)

3.2 路段2)的提取實驗如表2所示，提取結(jié)果如圖9所示。

表2 羲皇大道東團莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段的實驗數(shù)據(jù)

圖9 羲皇大道東團莊社區(qū)衛(wèi)生站至南郭寺路段上的部分提取結(jié)果

由表2結(jié)合本條道路環(huán)境可以看出，把探測的最小高度由2 m設置為3 m時，其對探測結(jié)果影響并不大；然而，當把最大側(cè)面偏移量由10 m設置為20 m時，軟件的探測錯誤率非常高，原因是軟件把街道兩邊以外更大范圍的數(shù)據(jù)探測進來了，包括一些電線桿、一些樹干和一些錯誤的點，結(jié)果如圖10所示。其中，圖10(a)中用圓圈線表示出的點為正確探測出的桿狀地物，方框線表示的是探測出的不符合要求的桿狀地物或錯誤地物。

圖10 路段2)的第3次探測部分結(jié)果(含錯誤探測點)

由以上兩組實驗道路、輸入?yún)?shù)和實驗結(jié)果可以看出，對于不同的道路環(huán)境，一定要選擇合適它的參數(shù)，才能做到事半功倍，才能探測到令人滿意的結(jié)果。當然，合適的參數(shù)要通過多次測試才能得到。

4 結(jié)束語

本文通過對車載移動三維激光掃描測量系統(tǒng)Trimble MX8的介紹，對其所帶內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Trident Analyst V6.0的使用，實驗了其對桿狀地物的提取功能，對比分析了不同過濾參數(shù)下，不同類型的道路上，軟件對桿狀地物提取的不同效果。結(jié)果表明：對不同類型的道路，只要給軟件輸入和道路類型相適宜的參數(shù)，再加以人工的細心檢查，對桿狀地物的提取能夠達到理想的效果。

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[10]TRIMBLE COMPANY.Trimble Trident Software User Guide Version 6.0,Pole De-tection[M]. USA:Trimble Navigation Limited,2013:299-301.

[責任編輯：郝麗英]

Extractionofpolesbasedon3Dvehicle-bornemobilelaserscanningandsurveyingsystem

LIU Bao

(Tianshui Sanhe Digital Institute of Surveying and Mapping,China Construction Materials and Geological Prospecting Center,Gansu General Team,Tianshui 741000,China)

It presents the development and features of the 3D vehicle-borne mobile laser scanning and surveying system before giving an introduction of the structure and function application of the Trimble MX8 system. Following that,it elaborates the study of methods on extracting poles from laser point cloud data at present in China. Besides,it selects two different roads and performs a test on extractions of poles with different parameters and under different road environments,from which different results of extraction are collected. At last,on the basis of comparative analysis of the results,it concludes that for different road environments,the results derived from applying appropriate parameters with careful manual inspection in extracting poles from laser point cloud data can be satisfactory.

vehicle-borne；laser scanning；laser point cloud data；pole；extraction

2014-04-28

劉寶(1985-)，男，助理工程師，研究方向：車載移動三維激光掃描測量.

P237

A

1671-4679(2014)05-0015-05