三 基于车载激光扫描系统的 维数字建模项目 陈东华 吉林市工业和信息化局 １ ３２０１ １ 【文章摘要】 高可达５０ｋｍ／ｈ。工作效率极高，保守估计 定点激光扫描测绘：需要工作人员少， 每次作业只要２ ３人，效率中，数据量中，误 差低，相对成本中。 机载激光扫描测绘：需要工作人员少， 作业范围大，效率高，数据量大，误差中，相对 成本高。 相比较而言，此项目车载激光扫描采集 技术，测量距离长、范围宽，数据采集速度 快，需要工作人员极少，每次大规模作业也只 要２人就可完成，效率极高，数据量极大，误 差低（厘米级别），相对成本低。 下面对＿匕ｊ 各项采集技术作一下对比 ２、数据处理技术优势 随着中国信息化的不断推进，城市 数字化建设也在不断推进。传统的数字 城市的建模是采用人工建模的方法。根 据照相、测量等方法人工建模，建模速 度非常缓慢，已经不能满足数字城市建 模的基本需求。此项母利用国际一流的 激光扫描系统对城市设施进行高精度三 维激光数据和高分辨率影像数据的采 集、处理、三维建模，研发出・种高效、 准确、自动化程度的方法来取代人工建 模的方法，大大扩展数字城市领域核 技术与产品研究开发和应用。 现有软件特点：目前普遍应用的工程 每天可测量２００公里的公路或者几十平方公 里的区域。 三维建模软件，主要有ＳｐａｃｅＣｌａｉｍ，３Ｄｍａｘ， （二）技术优势 ｍａｙａ，ｐｒｏ／ｇ，Ａｕｔｏｃａｄ等软件。其特点为： 人工建模：建模、加纹理、加阴影等都 １、数据采集技术优势 现有数据采集技术： 由人工手动完成。 手工测绘：需要工作人员多，每次要出动 需时长，需要专业技术人员。 ５人，效率ｆ氐，数据量少，误差高，相对成本高。 对已知物体（如建筑物、生物体）建模 【关键词】 车载激光扫描系统；三维数字建模 一、项目简介 （一）技术原理 第一步：原始数据采集。使用激光扫描 车沿目标区域街道进行原始数据的采集，得 到具有精确位置信息的原始点云数据及与点 云数据同步的数字图像数据。 第二步：数据预处理。使用基于点云的 噪声分布计算及点云分割算法去除原始采集 点云数据中的噪声及非目标数据，得到按目 标个体分块的点云数据。 第三步：建粗略模型。根据第二步得到 的经过预处理的点云数据，使用自主研发的 三维建模软件中的粗略建模重建得到粗略的 三维实体模型。 第四步：建精细模型。在第三步的基础 上，改变建模算法的参数得到精细模型。 第五步：纹理贴图。使用在第一步获得 的图像数据给精细模型贴上纹理，使得模型 更具真实感。 第六步：模型的显示。使用三维显示平 台加载重建好的三维实体模型，用户基于此 平台可以开展各种各样的个性应用。（见图 １） 黄色的是汽车行走路线，白色部分是激 光扫描得到的点云数据重建的场景。由于设 备的采样频率高，达到２０万赫兹，因此可双 在瞬问获得大量的测量数据，可获得高精度 数据，而且该设备是动态采样，采集时速度最 ■坝代商业 ＭＯＤＥＲＮＢＵＳＩＮＥＳＳ 时缺乏精度。 （二）高级应用 且需要额外的测量。］ 作。 在进行大规模城市建模的过程中，可以 ￥此项目所采用的软件ＳｃａｎＭａｐｐｅｒ核 将以前项目所积累的数据进行二次利用，从 心优势： 而降低成本。而最后处理好的数据可以交付 可在软件上实现自动的建模、加纹理、 给客户获取一次性的盈利；还有一部分的客 加阴影，实现自动化和序列化过程。 户会需要对处理好的数据进行及时的更新和 对技术人员的要求低， 要３Ｄ建模的 维护，可以持续性地获取利润。另外，还可以 普通技术从 即可操作软件。 根据客户的需求，在三维建模的基础上进行 在自动建模的基础上，技术人员也可在 些后续服务如：小区的消防监控、社区的 建模的过程巾加入一系列的可控性操作，按 景观设计等来满足客户的需求，提高产品的 需要进行交互式建模，能得到更精确的模型。 附加值。 日前 有剑桥大学研究出了类似的３Ｄ 快速建模软件（ＰｒｏＦＯＲＭＡ系统）。 三、行业概况 （一）行业现状 二、项目应用 地理信息产业，是以现代测绘技术和信 （一）初级应用 息技术为基础发展起来的综合性产业。既包 初级应用主要包括对公路、隧道、桥梁 括ＧＩＳ（地理信息系统）产业、卫星定位与 及占建筑物修复等的数据采集业务。针对大 导航产业、航空航天遥感产业，也包括测绘 规模且对测绘精度要求高的项目，以便充分 业和地理信息技术及其应用。２００８年是我国 发挥此技术效率高、精度高的优势。 地理信息产业高速发展的一年。调查显示， ～我国地理信息产业总规模已达４００亿元，从 业人口达３３万人。一些地理信息技术产品已 达到或接近国际先进水平。地理信息系统 （ＧＩＳ）技术在我国已经广泛应用，在资源环 境及设施的管理和规划中发挥着曰益重要的 作用，并且逐步成为～门新兴的产业。随着 ２ｌ世纪的来临，一个新型的信息社会和空间 时代即将展现在人们面前。 （二）技术发展 随着信息技术的飞速发展和用户对多 种数据采集以及数据处理业务需求的与日俱 增，给地理信息产业市场带来了巨大的市场 机会和挑战，同时对地理信息采集的高效陛、 精确性提出了一些新的需求。例如，势必利 市数据信息采集效率；调整地理信息采集室 内室外作业时间比例，降低产出成本；缩短 地理信息数据处理周期。我国目前推行的大 型三维数字城市建设也必须基于强大的城市 数据资源。因此，随着我国信息化产业的迅 速推行，数据信息采集技术（ＲＳ、ＧＰＳ、ＧＩＳ） 以及三维数据处理软件系统也需要满足全球 不同市场对产品的特殊要求。 四、市场机遇 （一）市场容量 市场巨大：城市数字化是中国经济社 会发展的必然趋势，地理信息产业也被写入 十一五规划纲要。城市空间信息技术产业市 场存在着巨大的容量。２００７年，我国地理信 息产业产值已达到４２０亿元。现在全国９０％ 以上的城市正准备启动“数字城市”工程， 据已有数据统计２００９年地理信息产业产值 约在６００亿元左右。中国国家遥感应用工程 抚摩研究心等单位专家预测，到２０１０年，我 国地理信息产业年总产值将超过７００亿元， 并将以２０％左右的速度高速增长。 结构变化：国家测绘局提供的数据显 示，现在地理信息数据服务应用增长迅速。 ２００９年服务应用测量的总产值已经超过了工 程应用测量。占整个行业的５１．６％，达到 ３０９．６亿元。同￣２００８年增长３０％，而随着数 字化城市的建设，对ＧＩＳ数据进行应用的需 求出越来越多，预计应用测绘的增长将继续 以３０％左右的速度增长。 （二）市场需求 表１ 数据采集技术对 车载激光 采集人数 ２人 Ｉ采集效率 尚 Ｉ、工程测绘 手工测绘 ５人 低 定点激光 ２，３人 凼 机载激光 ２－３人 极高 采集频率 同 ～ 精度 高（厘米级） 人工记录 低（米级） 一 商 高 南 高（厘米级） 出 高 高 低（米级） 极高 由 采集成本 低 气候影响 低 不分昼夜，与普通 只能自天，雨雪等 只能白天，雨雪等 不分昼夜，与普通 车辆行驶条件相当 恶劣天气不能操作 恶劣天气不能操作 飞机飞行条件相当 需求稳定：全国城市基础设施位置测 量市场约为５亿元人民币每次，城市三维建 模市场约４０亿元人民币每冼根据全国高速 公路４万公里，铁路８万公里长度来计算，路 基两侧地形精确测量ｌ亿元每次。而对信息 的定期更新需求决定了以上的服务是周期性 的。 需求转型：随着我国城市化进程的加 速，国内高速公路、高速铁路的建设速度也 是分秒必争。今年武汉至广州的高速铁路正 ＭＯＤＥＲＮＢＵＳＩＮＥＳＳ 坝代商业 式通车，而京沪高速的通车时间也提已日程。 的数据量大，成本约１０００元／公里，共１０万 而造成的人员伤亡为１２起，造成的经济损失 这就对工程测绘的速度和效率提出了更高的 兀。 达４０００多万元。为此，该市以该区为试 要求。 ２、数据应用需求 其它测绘 点，于２０１０年起开始在数字的平台中建 立一个全区消防系统的规划设计。目前，该 市将逐步建立起整个城市的现代化消防 需求稳定：目前城市化水平已经达到 ４５％，共有城市人口６．０７亿；全国的城市总 数为６５６个，以前４００个城市来计算。假设每 个城市平均２５０平方公里，共ｌ０万平方公里． 现在随着数字化城市的建设，ＧＩＳ数据的周 期性实时更新成为数据应用的新需求。因 此，这就对数据更新以及处理速度提出了更 高的要求。 需求转型：我国ＧＩＳ数据应用正在进入 个需求旺盛期，数据应用工程对数据形式 提出更高要求。例如，消防排险系统，矿山开 采规划等信息服务项目必须依托三维高精度 数据来完成。因此，行业内现有的数据服务 产品（如二维地理信息数据、仿三维模拟数 据等）已经难以满足市场对数据精度的要 求，三维数据的广泛应用必将成为趋势。 ２００８年地理信息的应用在我国得到了 高速的增长。据中国地理空间项目网监测数 据显示，本年度招标项目数年比去年同期有 大幅度的增长，全国招标项目￣＿２ｏｏｏ＋，土地 调查项目占主导地位。今年５月起地理信息 系统平均每月招标项目约２００个，１２月是招 标项目数量最高的月份，达到３００多个，如图 一例如对精度要求高的桥梁、隧道等。 图４桥梁数据从采集到三维建模 ２、应用服务客户 目前，地理信息数据采集还原后的工程 应用领域几乎涉及到国民经济和社会发展的 各个方面（见图５），如国土资源、生态环境、 城市建设、房产、交通、铁道、统计、、 紧急事务处理、经济规划、农业、林业、海 洋、军事等等。地理信息工程在企业中的应 用也非常广泛。举例如下： 消防系统应用 社会问题：在各种灾害中，火灾是最经 常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主 要灾害之一。而建筑消防高州是保证建筑物 消防安全和人员疏散安全的重要设施建筑消 防设施主要分两大类，一类为灭火系统，另 类为安全疏散系统。 市场规 据相关资料表明，某市某区 有各类小区８０多个，去年共发生各类火灾８６ 起，因为疏导路线的不清晰、防火器材老化 一管理系统，市场潜力巨大。 如下图所示，这是某公司提供的．该系统 是在仿真三维模型的基础上设计的。结合其 它的传感器能显示、查询、定位、消防中队 的情况、颁与辖区信息，消防设施的颁与状 态信息，为消防部门迅速排除险晴提供诸如 最短路径分析等辅助决策功能。 但是，由于采用的是ＧＩＳ二维仿真三维 的数据模型为基础，所以不能对楼房的阳台、 窗户、安全通道等进行建模。而在真实情况 下往往是楼房的住户最有可能出现火灾，那 么这套系统就很难解决现实问题。 下图是用该技术建立的三维实景模型， 可以很清楚地看到 能够将楼房的窗户、安 全栓、消防门、安全楼梯等都建立三维模型， 再加上一些其它的传感器辅助设施，就能够 为消防部门的火险指挥带来巨大的帮助。而 各建筑物内的火灾自动报警系统联网， ２所示。 （三）目标客户 １、工程数据客户 ２００８年测绘行业经济继续保挣陕速增 长态势，共完成服务总值２２０．６１亿元，同比 增加３５．５８亿元，增长１９．２％。工程测量是随 着国家“扩内需、保增长”、加大基础设施 建设投入的逐步落实，其基础性服务作 用充分体现，全年完成工程测量服务总值 １０６．７５亿元，同比增加ｌ９．７５亿元，增长２２． ７％。 在客户的选择上针对大规模、测绘精 度要求高的项目，以便充分发挥该技术效率 高、精度高的优势。举例如下： 公路测绘 传统的公路测绘，采用较多的为手工测 绘和定点激光测绘。此技术的主要优势在于 速度陕、精度高、成本低。以测量１００公里 公路为例： 传统手工测量：需要５人连续工作２个 月。由于完全是人工作业，误差出现的概率 很大，采集数据量少，成本约４０００元／公里， 共４０万元。 定点激光测绘：需要３人，连续工作１个 月。数据采集时有部分是人工参与，误差中 等，采集数据量中，成本约２０００元／公里，共 ２５万元。 车载激光扫描：需要２人，工作ｌ天。数 据采集均为稳定的系统作业，误差极小，休集 坝代商业 ＭＯＤＥＲＮＢＵＳＩＮＥＳＳ ｅｌ｜ ｌｌ［●】ｌ誓ｌ 磷Ｉｌｌ１ ｉ 鬻３车载激光扫描 路点暑数据 并综合运用数字视频监控等信息技术，在监 控中心内对所有联网建筑物的火灾报警隋况 图５ ２００８年度地理信息系统完成项目行业应用分布情况 进行实时监测、对消防设施进行集中管理， ＿盈土地理值患豢烷 为消防部门迅速排除险睛提供决策参考。 ■警用地理位息系统 矿山体积、质量测量 口水情和防汛抗旱地理信息 绕 行业问题：矿山包括煤矿、金属矿、非 金属矿、建材矿和化学矿等等。目前采用较 口数字城市＝Ｉ电理信患系娆 多的是图解剖面法、面积量算，这种方法不 一疲惫地理信息系绽 仅工作量极大且测量的数据精度不高。 一环境监浏地理信息系统 市场规模：中国已探明矿产资源总量 师 ●房地产地理信息系婉 居世界前列，矿产资源开采总量居二位，全国 农业锌业地理值Ｊ怠系统 建成大巾型矿山企业ｌ万多个，小型矿山企 ■ｌｒ阿地理依息系善意 业ｌｌ万多个，从业人员８００多万人。矿山测 ■气敦地理ｆ－Ｉ患系统 量是矿山建设的眼睛。矿山测量的任何疏忽 口安全冒理地理信患系统 或轻率都会影响生产或有可能导致严重事故 口民政和税务地理佳患系蛀 发生。而精确地测量数据也能为安全生产提 ＨＴ］ｒＰ－Ｊ／￣．ｃ净｛ｌ 辘＾Ｐ ｌ ．∞ ｃ尊ｔ ●较件平台 供信息，供领导对安全生产做出决策参考。 利用该技术可以对矿山数据三维数据 ＡＧｌ 舫臀 缟懋鼷 扫描，就可以非常逼真地还原出真实的三维 模型。这样就可以非常直观地知道矿山的各 面面积、体积、开头。根据平均的密度就能 够计算出矿产的质量。建模好的数据可以为 矿产资源的开发利用提供很大帮助，还能为 一些大型企业估算能源储备，便于生产调度。 其它民用 港口物流、辅助营销、景观设计、古迹 复原等领域。 五、风险分析 （一）风险（低） 就我国目前出台的分析，我国在未 来五十年内将大力推动地理信息产业发展， 中国现行的法律和税务均持续稳定 地贯彻执行，可以充分保障投资商的权益。 ＭＯＤＥＲＮＢＵＳＩＮＥＳＳ 狈代商业 先的数据采集和数据处理的需求极大。当然 不排除更先进的技术进入的风险。圃 ［４ｔ者简介】 陈东华，女，１ ９７１年１ ０月出生，于１ｇｇ３ 年毕业于吉林化工学院石油化工专业 获得学士学位。２Ｏ１ ０年毕业于新加坡 我国的地理信息产业的应用市场才刚 刚起步，市场处于培育阶段。．目前，地理信息 数据服务企业主要的商业模式为Ｂ ２ Ｇ及 Ｂ２Ｂ，而Ｂ２Ｃ项目相对较少。根据市场反映 调整不同时期的营销管理策略，做好各种风 》接９１页 （三）技术风险（低） 数据采集是地理信息产业的基础，也是 产业链的基础环节。地理信息产业中基础数 据的采集和处理至关重要。在目前我国该产 业迅速发展的时期，数据采集及处理的快速、 南洋理工大学并获得创业与创新硕士 学位。曾在中国石油吉林石化分公司 研究院工作，主要从事情报调研和与知 识产权相关的工作。现在吉林市工业 和信息化局信息中心工作，并兼任新加 坡博创国际私人有限公司董事。 …≮ Ｄｕｏ ｃｐｕ ２．５３ＧＨｚ，内存３ＧＢ，实验软件 环境为Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ Ｐｒｏｆｅｓｓｉ ｏｎａｌ。实验 测试ＸＭＬ文档如图５所示。文章的主要目 的是测试平台的分组计算功能，所以仅仅列 出与该功能相关的查询语句以及测试结果。 三、总结 文章分析了目前支持ＸＭＬ数据查询语 言不能支持分组统计等复杂计算任务的不足 指出，指出了不符合ＳＱＬ规范而制约了它们 的应用范围。在深入研究ＤＯＭ模型的基础 询、统计和修改等任务，所采用的ＤＭＬ模拟 上，利用Ｊａｖａ作为开发工具，设计了一个符 ３、ＧＱＸＭＬ查询平台：根据Ｗ３Ｃ制定 已经广泛使用、并得到用户认可的ＡＮＳＩ合ＳＱＬ语法规范、实现ＸＭＬ数据分组统计 的ＸＱｕｅｒｙ１．０，很多公司开发了相应的 ＳＱＩ ９９语法结构。 等复杂任务ｆｌ４ｄＸＭ［ 查询平台ＧＱＸＭＬ。实验 ＸＱｕｅｒｙ引擎，这些引擎实现了ＸＱｕｅｒｙ的大 系统设计的原则是，（１）简单通用。只要 结果显示，该ＧＱＸＭＩ 平台完成了对ｘＭＬ数 部分功能，但还有很多方面要进行补充完善。 用户按照类似与ＳＱＬ ９９的语法格式输入 据的各种分组统计任务，并且符合ＳＱＬ语法 就可以完成对ＸＭＬ文档的查询修 最主要的有这几个方面：第一是数据的分组 操作语句。规范，陔平台具有一定的实际应用价值。圃 统计实现不完善；第二是没有实现定位删除、 改等操作；（２）可扩展性。该系统提供核心 定位修改和定位更新，而这些是ＸＭＬ应用中 ＡＰＩ，以便以后进行扩展；（３）跨平台。该系统 【参考文献】 。 常见的操作。虽然现在很多开发语言都提供 采用Ｊａｖａ和Ｗ３Ｃ推荐ｆｌｇＤＯＭ进行开发；（４） １赵俊岚．ＸＭＬ编程中的ＤＯＭ．与 ＳＡＸ 了操作ＸＭＬ数据的接口，如Ｊａｖａ的ＳＡＸ和 适当的考虑查询和修改效率。技术．计算机工程，２００４（１ １） ＤＯＭ，但只是实现了基本的接口，如获取结 系统主要功能是，（１）可以执行复杂的查 ２吴吉义．ＸＭＬ数据查询语言ｘｑ Ｐｙ 点信息等，并没有提供完全操作的ＡＰＩ。如 询任务，并对查询结果进行排序；（２）可以执行 应用分析．微型机及应用，２００６（６） 。 果用户要编写基于ＸＭＬ数据的应用程序，需 分组统计等复杂计算任务；（３）对良构的ＸＭＬ ５陈奇．ＸＳＬＴ，ＸＰａｔｈ和Ｄ０Ｍ的应用研 要在这些基本接口之上开发相应的ＡＰＩ。 文档，可以进行更新、插入和删除等操作；（４） 究，计算机工程，２００５（５） 一 ４郭红艳，杨波，金蓓弘．高效ＤＯＭ实现 基于上述原因，需要搭建一个通用的基 可以对查询结果进行持久存储。 的技术研究．计算机科学，２００６，３３（６） 于ＸＭＬ的查询平台，在该平台ｔ，可Ｘ，｝ＸＭＬ 接口之间的继承关系如图３ 、、、、数据进行各种查询和统计，并可￣￣ＸＭＬ文 档中的元素进行定位更新、定位删除和定位 插入。该平台在实际中的应用如图４所示。 主要功能：ＧＱＸＭＬ系统利用ＤＯＭ的 相关技术，构建了对ＸＭＬ文档进行各种查 二、实验结果 为了获得ＧＱＸＭＬ查询平台的有效｝生， 文章进行了大量的实验测试。实验利用 ＪＤＫ１．５作为开发工具，采用ＪＡＸＰ作为 ＤＯＭ解析器。实验硬件环境为Ｉｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ ２ ５、贾福林，王国仁，于戈．基于ＤＯＭ的Ｘ（ＭＬＪ 数据库的索引技术研究．计算机研究与 发展，２００４，４１（１）基于ＤＯＭ的ＸＭＬ数据库 的索引技术研究．计算机研究与发展， ２００４，４１（１） ≯ 坝代商业 ＭＯＤＥＲＮＢＵＳＩＮＥＳＳ
