（地图制图学与地理信息工程专业论文）mms实景影像与三维模型的数据融合研究.pdf

中义摘要 摘要 近几年，“移动测量系统”( m o b i l e m a p p i n gs y s t e m 简称m m s ) 技术在公共设施普查( 道 路普查、部件普查等) 、高速公路管理、警用g i s 、智能交通等领域都得到了不同程度的应 用，这种能够在车辆高速行驶中快速采集地理信息的技术也在应用中得到了很大的进展，但 是由m m s 得剑的数据源与三维实体模型的结合却刚刚起步。所以研究基于m m s 实景影像 的街景快速三维重建，实现m m s 实景影像与三维实体模型的融合是很有意义的。 本文研究的主要内容是利用由3 s 测量车获得的m m s 实景影像和g p s 数据定位定姿结 果与影像地理参考之后的数据关系，结合摄影测量中立体像对的前方交会原理，在 a u t o c a d 2 0 0 7 环境下开发m m s 实景影像与三维实体模型集成的实验原形系统，实现m m s 立体像对中两点距离的量测，三维地物属性的录入、查询与变更，并实现m m s 实景影像与 三维实体模型的有效融合，研究系统开发过程中的一些关键性问题及三维快速重建过程中的 关键性问题。本文运用具有摄影测量解析所需要的内外方位位置元素和姿态参数的立体影像 序列，结合移动道路测量系统提供的检校参数，根据前方交会原理实现多层次的按需测量t 运用轨迹点与影像名称的对应关系实现影像与三维实体模型的互动。论文的主要贡献和创新 点主要有以下几个方面： 1 m m s 实景影像外方位直线元素的解算。运用摄影瞬间g p s 的绝对坐标、平台姿态及 g p s 与相机的相对位置关系确定m m s 影像的外方位直线元素，恢复影像与被摄地面之间的 相互关系。 2 由已知的外方位角元素及像点的坐标，根据摄影测量中像方空间坐标系转换原理确 定像点的像空间辅助坐标。解算中需要按行读取文本中每个相机的外方位角元素，根据m m s 实景影像大小( 1 6 2 4 1 2 3 4 ) 确定像点的像素坐标。 3 根据确定好的像点像素坐标、解算的影像外方位元素、已知的内方位元素，结合立 体像对的空间前方交会原理实现从像方量测值到相应点在物方的坐标的解算。解算时需要按 行读取文本中内方位元素。 4 影像与模型的融合。地理参考后的结构是轨迹点的位置坐标与在这一点拍摄的影像 名称存储在文本中的同一行中，一一对应，运用这一点实现二者的联动。 5 定制属性图层，方便三维实体模犁属性的录入、查询、变更。通过c a d 中实体数据 扩展结构存储完成属性数据的定制，即将需要建立的数据项建立一张表，在每个实体中赋值 到对应扩展数据项，当修改和录入的时候就可以对应的赋值了。 6 坐标系变换问题。实验系统中涉及到两种必要的变换，一种是实现量测功能时像方 空间坐标系与物方空间坐标系的变换，定义地面摄影测量坐标系与地面测量坐标系的原点相 同，这样将有利于得到最终成果数据；另一种是不同椭球基准间的坐标转换，特别是w g s - 8 4 坐标系与其他坐标系之间的转换。 7 整合建模前二维矢量图中不规范数据。部分二维矢量图存在房屋、花圃等面状要素 不闭合问题，影响模型的建立，针对这一问题，在c a d 中编写批量修整的命令。 本文研究了m m s 实景影像和三维实体模型融合的理论、方法和设计，在v s n e t 框架 下运用o b j e c t a r x 开发技术结合l i s p 开发技术，最终在a u t o c a d 2 0 0 7 环境里开发了一 个实验系统，利用m m s 作业后g p s 与相机的数据对相关及影像对与g p s 绝对参数相关的 方法进行了实验研究，验证了本文研究思路的可行性和有效性。本文对m m s 实景影像与三 维实体模型的集成及与属性关联进行了初步的探索，开辟了移动道路测量系统领域的新境 界，也为三维模型快速重建提供了新途径，对今后m m s 领域与三维建模领域的有效融合有 中义摘要 着一定的意义。 关键词：m m s 实景影像，三维建模，数据融合，前方交会，坐标转换 英义摘受 a b s t r a c t r e c e n t l yy e a r s ，t h et e c h n o l o g i e so fm m s ( m o b i l em a p p i n gs y s t e m ) h a v em a d eag r e a t p r o g r e s si nm a n ya p p l i e a t i o nf i e l d s ，s u c ha st h ei n q u i s i t i o no fc o m m u n i t yc o m p o n e n t ，f r e e w a y m a n a g e m e n t ，c o n s t a b u l a r yg i s ，i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a f i o ns y s t e m ) a n do t h e ra s p e c t i t c a l l f l e e t l yc o l l e c ta n du p d a t eg e o - d a t ar e c u rt ot h ec a r r i e r b u tt h ei n t e g r a t i o no f3 dm o d e l i n ga n dt h e d a t ac o l l e c t e df r o mm m si sj u s tb e g i n n i n g s o ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h e3 dm o d e l i n gb a s e d o nm m sr e a l - i m a g e i nt h i sp a p e r , a ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e dt os e t t l et h ep r o b l e mt h a th o wt or e a l i z et h e i n t e g r a t i o nb e t w e e nm o d e l i n gd a t aa n dm m sr e a l i m a g ed a t ai na u t o c a d 2 0 0 7a n dh o wt o m e a s u r et h ed i s t a n c eb a s e do nt h es t e r e o - p a i ra n dh o wt oq u e r ya n du p d a t et h ea t t r i b u t eo fm o d e l i tu s e st h ec a m a t ac a l i b r a t e dp a r a m e t e rw h i c hi so f f e r e db ym m sa n dt h ep r i n c i p l eo fi n t e r s e c t i o n t om e a $ u r et h ed i s t a n c eb a s e do ns t e r e o - i m a g ew h i c hi sp r o v i d e dw i t he l e m e n t so fi n t e r i o r e x t e r i o r o r i e n t a t i o na n da t t i t u d ep a r a m e t e ro fi m a g e t h e nb s et h ec o r r e s p o n d i n gc o n n e c t i o no fn a v i g a t i o n p o i n ta n di m a g en a m et or e a l i z eh ei n t e g r a t i o no f3 dm o d e l i n ga n dt h em m si m a g e f o l l o w i n g a s p e c t sw o u l db em a i n l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ： 1 c a l c u l a t i n gt h el i n ee l e m e n t so f e x t e r i o ro r i e n t a t i o no f p h o t o w eu t i l i z e dt h ea b s o l u t ec o o r d i n a t eo fg p s ，t h ea t t i t u d ep a r a m e t e ro fv e h i c l ea n dt h e r e l a t i v i t yu b i e t yo f g p sa n dc a m e r at oc o n f i r mt h el i n ee l e m e n t so f e x t e r i o ro r i e n t a t i o no f p h o t o 2 c o n f i r m i n gt h ei m a g es p a c ea s s i s t a n tc o o r d i n a t es y s t e m w en e e dp i c ku pt h ep o 缸i nt h es c r e e nf r o md i g i t a li m a g e f o rt h ed i g i t a li m a g e ，w eu c o o r d i n a t es y s t e mc o n v e r s i o nf r o ms c r e e nc o o r d i n a t et oi m a g ec o o r d i n a t et op i e ku pt h ei m a g e c o o r d i n a t e t h e nw eu s et h ee l e m e n t so fe x t e r i o ra n g l eo r i e n t a t i o nw h i c hi sk n o w na n dt h ei m a g e c o o r d i n a t eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fi m a g es p a c ec o o r d i n a t ec o n v e r s i o nt oc o n f n mt h ei m a g e s p a c ea s s i s t a n tc o o r d i n a t e a c t u a l l yw h e nw ea r et ow r i t et h ec o d ew en e e dg a i nt h ee l e m e n t so f e x t e r i o r a n g l eo r i e n t a t i o ni na l o w o f c o u r s e , w ea l s oc o n s i d e r t h e i m a g er e a ls i z 吖1 6 2 4 x1 2 3 4 ) 3 g a i n i n gt h em a pp r o j e c t i o nc o o r d i n a t e a c c o r d i n gt ot h ei m a g ec o o r d i n a t e ，t h ee l e m e n t so fe x t e r i o ro r i e n t a t i o nw h i c hi sj u s t c a l c u l a t e da n dt h ee l e m e n t so fi n t e r i o ro r i e n t a t i o nw h i c hi sk n o w n ，w ec a l lg a i nt h em a pp r o j e c t i o n c o o r d i n a t eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fi n t e r s e c t i o n r e m a r k a b l y ，i tn e e dr e a dt h ee l e m e n t so fi n t e r i o r o r i e n t a t i o ni nar o w 4 i n t e g r a t i n gt h e3 dm o d e l i n ga n di m a g ew h i c hi ss c r e e n e db yt h em m s i tc a l lm a k eaf i l en a m e d i d xa f t e rc o l l e c t i n gt h ed a t ao u to fd o o r s t h ef i l en o t e st h e r e l a t i v i t yu b i e t yo f n a v i g a t i o np o i n ta n dt h ei m a g e s ow eu t i l i z et h er e l a t i o n s h i pt om a k ei t 5 c u s t o m i z i n gt h ea t t r i b u t ed a t a b a s e w ec u s t o m i z et h ea t t r i b u t ed a t a b a s ei no r d e rt os t o r a g e ，q u e r ya n du p d a t et h ee n t i t ya t t r i b u t e a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h ee x t e n ds t r u c t u r eo ft h ee n t i t yw h i c hi ss t o r a g ei na u t o c a d ，w eb u i l df i l e l i s t ，t h e nw r i t et h ec o r r e s p o n d i n gc o n t e n t 6 c o n v e r t i n gt h ec o o r d i n a t es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h e r ea r et w od i f f e r e n t l yc o n v e r s i o n o n ei st h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h ei m a g e s p a c ec o o r d i n a t es y s t e ma n dt h em a pp r o j e c t i o nc o o r d i n a t es y s t e m ，t h eo t h e ri s t h ec o n v e r s i o n b e t w e e nt h ed i f f e r e n t l ye l l i p t i c a ld a t u mp l a n e s p e c i a l l yt h ew g s 一8 4a n do t h e r s t h ef o r m e rw e l i i 英义摘受 d e f i n et h es a m eo r i g i nb e t w e e nm a pp r o j e c t i o nc o o r d i n a t es y s t e m a n dt h et e r r e s t r i a l p h o t o g r a m m e t r i cc o o r d i n a t es y s t e m 7 m a n a g i n gt h eo u t - o f - o r d e r2 d d a t a i tw i l la f f e c tt h ee f f i c i e n c yo fb u i l d i n gm o d e li ft h ep o l y g o n ( s u c ha sh o u s e ，g r e e n b e l ta n ds o o n ) i s n tc h o s e s oi ti sn e c e s s a r yt ow r i t es o m eo r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m t h i sp a p e rd e v e l o p sa ne x p e r i m e n ts y s t e mu s i n gv s n e tf r a m e w o r ka n do b j e c ta r xa n d l i s pi na u t o c a d 2 0 0 7 ，a n du t i l i z e st h em m sd i g i t a li m a g ea n dt h e3 db u i l d i n gm o d e lt op r o v e t h et h e o r ya n dm e t h o d se f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t , w ec a nf i n d t h a tt h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nm o d e l i n gd a t aa n dm m sr e a l - i m a g ed a t ah a sa c h i e v e dr e q u e s t ，t h e r e s u l to ft e x t u r em a p p i n gh a sa c h i e v e ds a t i s f y i n ge f f e c t ，a n dl a r g ed a t ai sn ol o n g e rap r o b l e m i na w o r d ，t h i sn e wm e t h o df o ri n t e g r a t i o nb e t w e e nm o d e l i n gd a t a a n dm m sr e a l - i m a g ed a t a o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gs o f t w a r e ，a n di ti sv e r yv a l u a b l ei nt h ea p p l i c a t i o nf i e l do f f u s i o nb e t w e e nm m s r e a l - i m a g ed a t aa n dm o d e l i n gd a t a k e yw o r d s ：m m sr e a l - i m a g e ，3 dm o d e l i n g ，d a t af u s i o n ，i n t e r s e c t i o n ，c o o r d i n a t ec o n v e r s i o n 图表索，j ll j 录 图表索引目录 图1 - 1 移动道路测量系统原理2 图1 - 2a v e n u ep r o j e c t 的三维建模模块图7 图1 - 3a c t s r e s o l vp r o j e c t 的三维建模模块图7 图1 - 4 技术路线图1 0 图2 - 1 摄影测量常用的坐标系1 2 图2 - 2 内方位元素1 2 图2 - 3 共线条件方程1 4 图2 - 4 立体像对空间前方交会1 5 图2 - 5 摄影中心与g p s 天线的相对关系1 8 图2 - 6 像方坐标系1 9 图2 - 7 实体模型和影像数据在试验系统中的交互式状态1 9 图2 - 8 影像坐标的转换1 9 图3 - 1 复杂地物简单分解效果图2 5 图3 - 2 树模型2 5 图3 - 3 模型制作图层划分示意图2 5 图3 - 4 三维景观模型的制作流程图2 7 图4 - 1 实验系统体系结构图3 l 图4 - 2 总体界面布局结构图3 1 图4 - 3 模块及模块关联结构图3 2 图4 - 4m m s 移动测量系统文件及文件结构图3 4 图4 - 5i d x 文件结构图3 4 图4 6 属性数据项说明文本结构图4 6 图4 - 7 命令创建对话框5 0 图4 8 菜单和工具栏编辑器5 1 图4 曲编辑成功后的本实验系统的菜单5 1 图4 - 1 0 影像窗口实现过程5 2 表1 - 1 现有的主要陆地移动测图系统。3 表3 - 1 数据形式对比2 3 表4 - 1 像点及地面点坐标对比数据4 9 v i i 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：剖屯反 日期：劢9 夕年月je l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 移动测量技术的出现和发展为信息技术领域内地理信息数据的快速采集与处理提供了 全新的技术手段。它与其他信息获取手段互相结合、互相补充，为很多领域开辟了新的发展 空间，带来了新的挑战。同时移动测量技术的发展也推动着原有应用领域的不断进步。近几 年来，移动道路测量技术在i t s 、公共设施普查( 道路普查、部件普查等) 、高速公路管理、 警用g i s 、铁路、基础测绘、空间信息服务等应用领域有了很大的进展，给测绘领域带来 了新的机遇和挑战，被誉为“当今国际测绘届最前沿的科技之一，代表着未来道路电子地图 测制领域的发展主流”。 “移动测量系统”( m o b i l em a p p i n gs y s t e m 简称m m s ) 从技术角度讲也称m m t ( m o b i l e m a p p i n gt e c h n o l o g y ) ，它能够非接触的、高精度的、快速的获得地物的三维空间信息，它是 在移动载体平台上集成多种传感器，通过定位、定姿和成像等传感器在移动状态下自动采集 各种定位定姿数据、激光扫描数据和影像数据，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理， 实现无控制的空间地理信息的采集和建库。由m m s 可获得连续的立体影像序列及视频数 据、平台的运动轨迹与方位参数、g p s 与相机的相对位置关系，所以这些影像序列均具有 摄影测量解析所需要得外方位元素和姿态参数，配合精准的时刻参数，在严密的摄影测量检 校参数支撑下，实现任意空间、时间序列上的按需测量【5 一，由此可在影像对上选取同名像 点量测任意两点间的距离，这也为三维城市模型构建中第三维儿何数据的获取提供了新的方 法。近年来，随着三维城市模型研究的飞速发展，人们在三维目标重建、基于影像的对象重 构以及其数据获取方面进行了较深入的研究，其中以对数据获取得研究最为深入广泛。三维 城市模型的构建需要真三维的空间数据和真实影像数据，而现在二维g i s 中除了二维空间 数据之外，并不具备第三维几何数据和纹理特征，移动测量技术的出现填补了这个空缺，能 够快速地得到建筑物立面的高度等第三维信息。虽然镶嵌有影像纹理具有真实感的三维模型 使得对于城市景观现状和规划的描述摆脱了常规的基于二维地图( 平面图) 和三维实物模型 的表达方式，但是现实生活中城市结构是非常复杂的，即便有真实的影像纹理也不能完全反 映城市街景特色，所以有效地将m m s 实景影像与三维实体模型联动起来，用户根据对应的 m m s 实景影像信息定制实体模型的属性，通过对属性信息的访问，实现查询和空间分析功 能，达到用户与界面友好地交互是一个很具有现实意义的工作。 1 2 论文的研究现状 1 2 1 移动测量系统( m m s ) 的基本原理 移动测量系统的一个共同特征是在移动平台上安装了多个相机和激光扫描仪等传感器， 通过使用定位定姿传感器获取数字序列影像直接地理坐标和姿态，进行三维立体量测。多传 感器集成可取消对于传统测绘而言的地面控制，提高空问数据采集的精度和可靠性。图1 1 是我校于2 0 0 5 年购进的一套陆地车载移动道路测量系统，它是在机动车上装配g p s ( 全球 第1 i 绪* 定位系统) 、c c d ( 视频系统) 、航位推算系统蒋先进的传感器和设备，在车辆的高速干i 进之 中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据如道路中心线或边线位置 坐标、目标地物的位置坐标、路( 车道) 宽，桥( 隧道) 高、交通标忠、道路设施等。数据 同步存储在车载讲算机系统中，经事后编辑处理，形成备种有用的专题数据成果，如导航电 子地图等等。 其他4 1 隅术源 ：二藏 哩芦芦簪 l - 数据编目 图1 - 1 移动道路测晕系统原理 换广甑 饰譬黑 ，l 翻 多传感器集成移动测图系统关键技术包括多传感同步、直接地理参考、多传感器系统检 校、f o s 定位定资和数据融合处理等技术。具体关键技术描述如下： ( 1 ) 多传感嚣集成同步；移动潮量技术将各种空间数据采集传感器集成进行全面高 精度空间数据采集。尽管多侍感器系统与单个传感器系统相比有很多优点，但是多个传螬器 引入使整个系统过程处理复杂化，同时也因此产生一系列新的问题，如多传感器描述得一致 性问题、多传礴器协调工作等问题，通常将各传感器统- - ng p s 时钟上，在i m u 、里程传 感器等支持f ，按照预设得航迹控制移动测量系统数据采集工作以满足立体像对、激光扫 描点阵规定重叠。 ( 2 ) 直接地理参考：不使用地面控制点和摄影测量三角测量的方弦来确定测量传感器 坐标，提供摄影测量解析所需要得外方位位置元素和姿态元素，配合精准得时刻参数，在严 密得摄影测量检技参数支撑下，实现无控制测圈。 ( 3 ) 多传感器系统检校：实现各个传感器数据传递与转换，包括单传感器自身内标定 以及备个传感器数据相互关系得标定。主要包括c c d 相机内标定、惯性导航设备自漂移和 辫 鳘一 一 第l 章绪论 地球自转的测定和传感器质检相互标定等。 ( 4 ) p o s 定位定姿：通过g p s 不同模式下与惯性导航系统集成米为影像传感器提供高 精度的位置和姿态信息来实现，同时影像传感器自动空三亦可提高p o s 定位定姿处理得精 度和可靠度。 ( 5 ) 数据融合处理：主要是指影像数据的自动匹配、提取以及与激光扫描数据的配准 融合等相关处理技术。 最常见的移动测量系统是基于车载系统的m m s ，称为移动道路测量系统，也有在铁路 火车、飞机或无人机上装配的m m s 以及人- t 便携式m m s ，以上几种移动测量系统组合起 来，能够解决所有移动状态下的空间数据快速采集和更新问题。 1 2 2 移动测量系统( m m s ) 的发展动态及其应用 第一个现代意义的m m s 为2 0 世纪9 0 年代初美国俄亥俄州立大学制图中心( c f m ) 开发 的g p s v a n ，它是一个可以自动和快速采集直接数字影像的陆地测量系统，定位定姿模块 ( d p o ) 部分使用差分g p s d r 集成，影像传感器采用c c d 相机和摄像机，由于g p s 采用 载波平滑的码差分，所以系统最终绝对定位精度较低，为1 - 3 米，其后g p s v a n 又进行了 升级d p o 达到了厘米级的位置精度1 7 。稍后加拿大卡尔加里大学和g e o f i t 公司为高速公 路测量而设计开发了v i s a t 系统，d p o 部分使用载波差分g p s 和环形激光陀螺导航级i m u 集成，系统最终精度达到分米级1 8 , 9 。德国慕尼黑国防军大学也研制了基于车辆的动态测量 系统( k i n e m a t i cs u r v e y i n gs y s t e m ，k i s s ) ，用于交通道路和设施的测量，并可为g i s 提供数 据。武汉大学( 原武汉测绘科技大学) 测绘遥感信息工程国家重点实验室( l i e s m a r s ) 在李德 仁院士的主持下研制了w u m m s 系统，系统集成了g p s 电子罗盘里程计作为位置姿态参 考，影像系统包括2 个c c d 和一个激光测距仪，系统达到了厘米级的相对精度和米级的绝 对精度。到2 0 世纪9 0 年代中后期至本世纪初，很多基于相似概念的商业系统也在开发之中， 例如g p s v i s i o n 删、g l - e ，m 【1 0 1 1 , 1 2 1 、l d 2 0 0 0 t m 、o n s i g h l 删、p o s l ，v t m 1 3 j 4 , 1 5 1 等等， 现有的主要陆地移动测图系统见表1 1 。与此同时，m m s 的学术交流也在进行，m m t 国际 学术会议已经召开了五次，分别于1 9 9 5 年5 月在美国哥伦布、1 9 9 9 年4 月在泰国曼谷、2 0 0 1 年1 月在埃及开罗、2 0 0 4 年3 月在中国昆明，2 0 0 7 年5 月在意大利帕多瓦举行，m m t 会 议的每一个主题都涵盖了国际摄影测量与遥感学会( i s p r s ) 、国际大地测量学协会( i a g ) 和国 际测晕师联合会( f i g ) 相应工作组的研究内容。2 0 0 8 7 3 7 1 1 在中国北京召开了第2 l 届国际 摄影测量与遥感学会( i s p r s ) ，会议设置了移动测图技术专题，来自不同国家地区的代表针 对目前m m s 的发展现状进行了交流。见表1 1 表1 1 现有的主要陆地移动测图系统 名称开发单位平台定位定姿传感器影像传感参考文献 器 g p s 脚 俄亥俄州立大学 汽车g p s ，2 个陀螺，2 个单色g o a d ，1 9 9 1 ； 火车2 个里程计；g p s ，c c d ，2 个 n o v a k ，1 9 9 l i m u ( 第二代)彩色摄像 机( 仅做 归档用) v i s a t t m 卡尔加里人学汽车双频g p s ，导航8 个单色 s c h w a r z ， 3 第1 章绪论 级i m u ，a b sc c d ，1 个1 9 9 3 ； 彩色摄像e l s h e i m y ， 机( 仅做 1 9 9 9 归档用) g i m t m n a v s y s 卡车g p s ，低成本i m u1 个c c d ， c o e t s e e 和 1 个摄像b r o w n ，1 9 9 4 机 k i s s t m慕尼黑国防军事汽车g p s ，i m u ，倾斜 i s v h s ，2 c a s p a r y ， 大学计，里程计，压个单色 1 9 9 5 强计 c c d ，录 音设备 t r u c k m a p t mj o h ne c h a n c e 和汽车广域差分双天线视频，无 r e e d ，l a n d r y a s s o c i a t e s 公司g p s ，数字姿态传反射激光 和w e r t h e r ， 感器测距仪1 9 9 6 g a t o r f 1 嘶d a 大学，加 人工 g p s ，数字罗盘， 2 个c c d ，a l e x a n d e r ， c o m m u n i c a t o r t拿大c o u n c i l 国家移动倾斜计，车轮编8 个c c d1 9 9 6 ： m i n d 0 0 r m m s 研究室机器 码器激光扫描b a r k e r - b e n f i 人仪 e l d ，2 0 0 0 ： e i h a k i m ， 1 9 9 7 g 1 e y e 俐n a v s y s 公司任何g p s ，低成本i m u1 个c c db r o w n ，1 9 9 8 陆地 车辆 c d s s a a c h e n 大地测量 汽车c a 码g p s ，2 个2 个单色 b e n n i n g 和 研究所里程计，气压计 c c da u 8 s a l l 8 ， 1 9 9 8 w u m m s 武汉测绘科技大汽车g p s ，电子罗盘， 2 个c c d ，“等，1 9 9 9 学 里程计激光测距 仪 l d 2 0 0 0 删 立得公司 汽车g p s ，战术级i m u2 个c c d ，l i 等，2 0 0 1 视频 g p s v i s i o n t m l a m b d a 公司汽车g p s ，导航级i m u2 个彩色 l a m b d a 公 c c d司，2 0 0 1 o n s i g h t t m t r a n s m a p 公司 汽车 g p s ，导航级i m u最多5 个t r a n s m a p 公 4 第l 章绪论 c c d司，2 0 0 1 m o s e s 慕尼黑联邦军事 汽车 g p s ，导航级 2 个g r a f e 等， 人学i m u ，里程计气压 c c d ( 可选 2 0 0 1 计，倾斜计得激光测 距仪和彩 色摄像机) l a s e rs c a n n e r 武汉大学汽车 g p s 激光扫描“等，2 0 0 1 m m s 仪 r o m d a s 新西兰高速公路汽车 g p s 数字视频 r o m d a s 和交通咨询公司 相机( 网站) d d t i 美国数字数据技 汽车g p s接触屏， d d t i ( 网 站) 术公司录音设备 p o s i 俨 a p p l a n i x 公司 汽车双天线g p s ，i n sc c d ，视文章甚多 距离测量仪 频 b a c k p a c kc a l g a r y 大学 人工 g p s ，数字罗盘， 彩色用户e l l u m 和 m m s倾斜计相机 e l - s h e i m y ， 2 0 0 1 m m s 产生之初主要是为陆地应用，但随着g p s i n s 技术的发展，d p o 空中系统的开发 也展开，由于基于g p s i n s 集成的空中和陆地d p o 系统都基于相似的硬件和软件设计，所 以从陆地到空中得转变非常迅速。俄亥俄州立大学制图中心( c f m ) 在开发了陆地测量系 统g p s v a n 了之后，又研制了航空组合测图系统( a i r b o r n ei n t e g r a t e dm a p p i n gs y s t e m a i m s ) ， 在事后处理中，d p o 可得到厘米级位置精度和优于1 0 秒的姿态精度，整体系统可用于大比 例尺测图【刀【捧2 7 1 。a p p l a n i x 公司2 0 0 0 年推出了p o sa v 航空组合测图系统，d p o 使用双频 g p s 和0 1 度时精度级别的i m u 集成，达到了位置误差小于2 0 厘米、姿态误差小于3 0 秒 的精度水平【2 粥2 1 。德国i g i 公司2 0 0 0 年左右也推出了类似的航空组合测图系统a e r o o f f i e e 软件包，精度水平和p o s a v 相同。 2 0 0 4 年5 月1 3 日，我国首套“移动道路测量系统”通过了由国家测绘局组织的专家鉴 定。陈俊勇院士、刘先林院士以及来自交通部、陕西测绘局和湖北省测绘局等用户单位的专 家一致认为，这是一项达到世界先进水平的“革命性的高科技产品”，具有广阔的市场前景。 同年1 1 月在由北京大学卫星导航应用研究室建设并维护的g e o s i s 网站上发布新闻公告 1 3 3 1 ：日前，我国首套移动道路测量系统通过国家测绘局组织的科技成果鉴定。该移动道路 测量系统集成运用了g p s 全球定位、i n s 惯性导航航位推算、c c d 测量以及自动控制等 尖端科技，以车载遥感的方式，实现对道路及道路两侧地物的空间数据、属性数据以及实景 图片的快速采集，数据通过专家用软件加工，可生成能满足不同需要的专题数据库及电子地 图。该系统可应用于导航电子地图测制、g i s 数据采集和三维可视化( 数字城市等) 等领域。 专家鉴定认为，这套系统设计原理正确，功能完善，技术指标先进，运行稳定可靠，操作方 便，属国内首创，整体技术已达到国际先进水平。 李德r 院士曾说过：“完成全世界l ：5 0 0 0 0 的地图，用人工地面测量的方法，在全世界 的测量员不休息的j ：作情况下，所需要的时问是5 0 年，即使使用卫星测量的方法也需要三 5 第1 章绪论 百年的时间。所以必须人幅提高测量速度。”移动道路测量技术正是这一问题的解决之道。 近儿年来，移动道路测量技术为我国g i s 行业的发展立卜了汗马功劳，主要体现住以卜儿 方面： ( 1 ) 2 0 0 4 年9 月3 日，北京星通联华科技发展有限公司、武汉立得空间信息技术发展 有限公司与湖北楚大高速公路公司联合对楚天高速公路( 永安至荆州) 进行了时时勘查。 l d 2 0 0 0 - r 型自动道路测量仅用了一个半工作日便圆满完成了全程1 8 6 公里的高速公路勘测 任务，这是第一次利用自动道路测量系统成功进行的高速公路实地勘测，标志着传统的人工 测绘作业方式实现了向现代测绘方式的跨越。 ( 2 ) 2 0 0 5 年6 月，黑龙江测绘局采用l d 2 0 0 0 r m ( 中端产品) 型移动道路测量系统 完成了“基丁移动道路测量系统得数字道路采集生产试验项目”任务，通过比较采用传统城 市测量方法和移动道路测量对相同地物测量结果，l d 2 0 0 0 r a m 型移动道路测鼍绝对测量精 度0 8 5 m ，相对测量精度0 0 4 m ，可以满足重点城市1 ：2 0 0 0 得要求，不但可以满足城市数 据库建设中境界、道路、地名、水系和土地利用现状五大类基本要素，还可以为城市数据库 建设增加更丰富得属性信息、图像和视频信息，更好地增强重点城市数据库的可利用性。 ( 3 ) 2 0 0 2 年使用m m s 为韩国高速公路公司、地方建设管理部门、市政管理部门、韩 国电力公司等做了大量得测绘工程，包括：道路设施调查维护、市政公共设施调查、电线杆 设备状况调查、国家g i s 数据采集和更新等。 ( 4 ) 2 0 0 6 年4 月，采用l d 2 0 0 0 r m 型中端产品完成青藏铁路从格尔木到拉萨往返铁 路线、铁路设施( 信号标志、车道灯等) 以及相关地物的快速采集，为青藏铁路g i s 、铁路 运营管路、铁路救援等提供数据基础。外业工作6 d ，内业加工1 0 d ，完成了双向长达2 2 8 4 k m 的青藏铁路数据库建库任务。 ( 5 ) 2 0 0 7 年1 2 月武汉市在网上推出了“影像城市武汉”，这是第一个基于实景影像 的为老百姓衣食住行提供空间信息服务的网络 3 4 1 。 1 2 3 三维目标重建的发展现状 在国外，数字城区的研究可以追溯到2 0 世纪8 0 年代初，s k i d m o r e 和m e r r i l l ( s o m ) j j j 时 就已经在三维城市模拟上有所成就，s t r a t h c l y d e 大学的u c l a 和a b a c u s 也在这方面做了 研究。目前国外已经有比较成熟的数字城市三维可视化建模软件产品： 美国c m u 大学的a v e n u ep r o j e c t 城市环境中的自动场景建模。运用2 d 光学图像和 3 d 距离图像进行三维模型重构，可以应用到室内场景或室外大型景物的三维重建。测量平 台是一个移动机器人，传感器有里程仪、g p s 、c c d 相机、c y r a x 激光测距仪等。处理过程 如图1 2 所示。 欧洲的a c t s r e s o l vp r o j e c t 进行环境的三维信息获取与建模，用于重构v r 模型。测 量平台是一个称作e s t a e s t 的移动机器人。处理过程如图1 3 所示。 美国m i t 大学的c i t ys c a n n i n gp r o j e c t 在城市环境中自主导航，获取场景的三维数据并 进行三维模型重构。所用的测量平台是一个称作“p o s ec a m - e r a ”的移动平台，使用的传感 器有高分辨率彩色c c d 相机、g p s