在“激光”的眼中，這個(gè)世界不再是五彩繽紛的景色，而是一個(gè)個(gè)的點(diǎn)，所有的道路與街景都成為了模型。激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)將道路兩側(cè)所有掃描范圍的物體都變成點(diǎn)，這些物體包括路燈、信號(hào)燈、房屋、道牙、樹葉等，照相機(jī)則不停地將掃描過(guò)的部分拍攝成照片。
你眼中的世界，就是世界的全部嗎？答案顯然是否定的。因?yàn)槲覀兇掖亿s路時(shí)，往往忽略了周圍世界的很多細(xì)節(jié)，而這些被忽略的細(xì)節(jié)卻恰恰擁有大作用。
全景掃描后的景觀
中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院下屬北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司自主研制生產(chǎn)的SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)彌補(bǔ)了人眼的不足，將樹木、景物，乃至地上的井蓋等都毫無(wú)遺漏地復(fù)原。在“激光”的眼中，這個(gè)世界不再是五彩繽紛的景色，而變成了一個(gè)個(gè)的點(diǎn)，所有的道路與街景都成為了模型。
“點(diǎn)”的世界
一輛面包車行駛在道路上，速度并不慢，車頂安裝著幾臺(tái)相機(jī)，不間歇地輪流拍攝周邊的景色。在人們看不到的角度，車上安裝的全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)也在有條不紊地工作。這輛車搭載的就是SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)。
車上安裝的激光器、慣導(dǎo)、全景相機(jī)等關(guān)鍵傳感器看似無(wú)關(guān)，卻又以特殊的標(biāo)定方法使系統(tǒng)協(xié)同工作，令其可以產(chǎn)生高密度、高精度點(diǎn)云和高清晰度全景影像。“激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)將道路兩側(cè)所有掃描范圍中的物體都變成點(diǎn)，這些物體包括路燈、信號(hào)燈、房屋、道牙、樹葉等，照相機(jī)則不停將掃描過(guò)的部分拍攝成照片。”北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司軟件開發(fā)負(fù)責(zé)人魏占營(yíng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。
當(dāng)這輛“神通廣大”的汽車完成工作后，工作人員會(huì)將其收集的數(shù)據(jù)整理到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后，后期的處理軟件“思維點(diǎn)云”正式出場(chǎng)。
“點(diǎn)云中有一項(xiàng)是提取技術(shù)，就是將激光掃描到的有價(jià)值的點(diǎn)提取出來(lái)，還原到二維平面中。”魏占營(yíng)介紹道。這些點(diǎn)在采集時(shí)間隔小至1厘米，大多為2~3厘米，最大的間隔為20厘米左右。“這取決于測(cè)量時(shí)的距離，距離遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量間隔點(diǎn)也比較遠(yuǎn)。”魏占營(yíng)解釋說(shuō)。有了“點(diǎn)”做比照，再將相機(jī)拍攝的畫面進(jìn)行比對(duì)，“我們會(huì)將相機(jī)上實(shí)際物體‘摳’出來(lái)，粘貼到這一物體對(duì)應(yīng)的點(diǎn)中”。
經(jīng)過(guò)這樣的處理，一幅360度的照片就變成了一個(gè)立體的三維的模型，而且，還可以根據(jù)需求不同著重標(biāo)出需要的信息。
更令人驕傲的是，從設(shè)備到軟件處理，所有技術(shù)都是正向開發(fā)，即由底層做起再完成建模，具有完全自主的版權(quán)。“包括關(guān)鍵傳感器之間的標(biāo)定、同步，以及后處理軟件的開發(fā)。”魏占營(yíng)補(bǔ)充道。從2007年開始主要研究硬件集成技術(shù)，到2012年開始投入研發(fā)后處理軟件以及面向應(yīng)用的硬件改造，目前已經(jīng)批量生產(chǎn)和銷售。
“在這些正向開發(fā)的技術(shù)中，最難的還是自動(dòng)化全息三維建模，需要把道路周邊的各種地物要素提取并三維建模。”魏占營(yíng)表示。為了讓提取點(diǎn)更準(zhǔn)確，魏占營(yíng)和團(tuán)體成員將每一張照片中掃描車拍攝照片時(shí)的位置定位到三維坐標(biāo)中，并根據(jù)位置與夾角等數(shù)據(jù)，力圖將后期的圖片完美地還原到現(xiàn)實(shí)中的位置。“目前可以提取的類型有50種。”
應(yīng)用前景廣
SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，目的是解決城市病。“現(xiàn)代化都市中，存在著樹葉遮擋交通標(biāo)志牌、井蓋塌陷等問(wèn)題。以前，技術(shù)人員只能通過(guò)人工測(cè)量，標(biāo)示坐標(biāo)位置，慢慢整合數(shù)據(jù)后方能治理。”魏占營(yíng)說(shuō)。但在SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)問(wèn)世后，汽車可以載著儀器以每小時(shí)40公里的速度行駛在公路上，并且保證拍攝的照片與測(cè)量到的數(shù)據(jù)盡可能的準(zhǔn)確。
這套系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用到北京市最近正在執(zhí)行的違建拆除工作中。今年兩會(huì)上，北京市政府工作報(bào)告中提出，今年北京計(jì)劃拆除違建4000萬(wàn)平方米以上，其中包括“開墻打洞”行為1.6萬(wàn)處。在整治“開墻打洞”時(shí)，需要重新砌墻粉刷。但是粉刷時(shí)需要多少漆料，計(jì)算起來(lái)卻是個(gè)麻煩事。因?yàn)榇皯舨槐胤鬯?，所以其面積不能算在內(nèi)，但若拋開窗戶面積計(jì)算其他墻壁面積，只靠人工計(jì)算并不精準(zhǔn)。
“如果粉刷面積小，那么即便將窗戶面積算在粉刷面積中，也不會(huì)浪費(fèi)太多，但是如果粉刷面積大，那么這些數(shù)據(jù)則是失之毫厘謬以千里了。”魏占營(yíng)解釋道。
有了SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)，這樣復(fù)雜的計(jì)算自然可以完全托付給它。目前，經(jīng)過(guò)改良的車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了80%的自動(dòng)計(jì)算。
“去年，我們還與其他單位合作進(jìn)行了井蓋病害調(diào)查項(xiàng)目。”魏占營(yíng)說(shuō)。這一項(xiàng)目是調(diào)查道路上井蓋的破損情況。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榫w的分管單位眾多，所以即便發(fā)現(xiàn)了有問(wèn)題的井蓋也難以找到負(fù)責(zé)的部門。車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)不僅將破損的井蓋掃描出來(lái)，而且還能“揪”出負(fù)責(zé)的部門。
只為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員就付出了5個(gè)月的辛勤勞動(dòng)。車速太快，拍攝不清；像素太低，無(wú)法看清……甚至在夜晚用大功率LED燈照射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終完成了這項(xiàng)調(diào)查工作。這套系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別高出或低于地面2厘米的井蓋，同時(shí)還能將井蓋上分管單位的小字拍攝清晰，供工作人員查看。
除了道路測(cè)量，浙江一家企業(yè)購(gòu)買了這套測(cè)量系統(tǒng)后，則是用它對(duì)該地區(qū)的樹木進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。最近，“我們正在與一家研究自動(dòng)駕駛的機(jī)構(gòu)聯(lián)系，自動(dòng)駕駛對(duì)于道路信息的要求更高。我們的測(cè)量系統(tǒng)可以達(dá)到這一精度”，魏占營(yíng)表示。
路在腳下
雖然SSW車載激光建模測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)初具規(guī)模，不過(guò)研究人員卻并不滿足于此。
他們發(fā)現(xiàn)這套系統(tǒng)每次采集的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)量巨大，每公里的數(shù)據(jù)都要占滿1G到10G的空間；而且，高樓、樹木、高壓線周邊的定位精度差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)成果精度差；再者，各種地物、車輛的遮擋導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)不完整。
“因?yàn)橄到y(tǒng)需要依靠GPS定位，所以如果遇到道路兩邊種植著遮天蔽日的樹木，就會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。更重要的是，因?yàn)檐囕v的高度有限，所以一些高層建筑樓頂信息不全，而且，如果路上采集數(shù)據(jù)時(shí)遇到卡車等遮擋物則會(huì)導(dǎo)致信息采集不全。”在魏占營(yíng)眼中，這些都是下一步需要解決的問(wèn)題。
“接下來(lái)，我們可能會(huì)與無(wú)人機(jī)進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，只是無(wú)人機(jī)對(duì)于精度的掌握還不能滿足目前的要求。除此之外，我們還將著手進(jìn)行陸海灘、潮間帶的測(cè)量，目前正在進(jìn)行載體選型，如沙灘車、氣墊船等。”魏占營(yíng)說(shuō)。
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