面向智能化测绘的城市地物三维提取

面向智能化测绘的城市地物三维提取

张磊

河南伟宏测绘技术有限公司     河南省郑州450000

摘要：2020年测绘学会年会，陈军、刘经南、郭仁忠、周成虎等多位院士围绕测绘技术如何与新技术、新产品、新业态相融，测绘行业如何转型升级，实现高质量发展，进行了深入的研讨，提出了建立智能化测绘观念更新、理论创新、技术研发、体系构建与示范应用的战略构想。基于此，对面向智能化测绘的城市地物三维提取进行研究，以供参考。

关键词：

引言

三维数据是一种现实物理世界的重要表达方式,有多种表现形式,包括深度图像、多边形网格和点云(Guo等,2014)等。三维点云数据获取设备如激光雷达等产品的成熟和普及以及计算机运算能力的提升,使点云数据得到了广泛应用。点云配准技术是点云数据处理中一个极具挑战性的研究方向,因为点云是一种非结构化的数据形式,存在遮挡和噪声(Duan等,2021)以及较大的数据量(Sultani和Ghani,2015),并且需要精确快速地完成。

1三维特征描述

三维特征是基于三维数据对空间物体智能感知的重要手段，也是模式识别和三维视觉中的基础工作，广泛应用于工业测量、医疗诊断、文物保护、机器人及自动驾驶等领域。随着传感技术的发展，基于三维数据的应用场景越来越丰富且复杂，这使得三维数据变得海量且多元化，三维视觉任务也从三维重建向高层感知方向发展，传统的三维特征描述在精度、效率及高层语义表达等方面已无法满足当前技术发展趋势。因此，需要对三维特征描述面临的主要挑战，开展了相关理论、方法和应用方面的研究。研究主要围绕复杂场景下三维数据的多层次鲁棒特征结构化表达，研究如何高效地从复杂场景数据中提取三维局部几何特征，物体特征及语义特征等用于场景感知。多平台移动测量系统可以全天候、高速度、高密度地获取道路城市环境的三维点云与图像纹理信息，为面向智能化测绘的城市地物三维提取提供了一种全新技术手段，显著提升了三维空间数据获取效率。然而，在点云的质量、三维信息提取等方面仍然面临如下问题：①受全球定位系统定位误差、惯性导航单元定姿误差、扫描仪测角和测距误差、多传感器同步与标定误差等影响，导致往返、不同时相的重访车载点云之间存在分米甚至米级的非刚性形变；②点云、影像等多模态数据融合存在同名特征检测与精准刻画难、跨模态误匹配率高等缺陷；③城市地物目标提取的自动化程度、语义完整性、结构化表达等尚不能满足城市场景理解的需求。

2点云配准算法

点云配准算法在20世纪70年代就已有研究。ICP(iterativeclosestpoint)是一种最经典的点云配准算法(Besl和Mckay,1992),通过迭代对应点搜寻和最小化点对整体距离以估计变换矩阵。因为是非凸的,所以容易陷入局部极小值。当点云配准需要较大的旋转平移时,ICP往往无法得到正确的结果。NDT(normaldistributionstransform)是另一种经典的精配准方法,通过最大化源点在目标点体素化后计算出的正态分布的概率密度上的得分进行配准(Magnusson等,2007)。ICP、NDT算法及其变体需要点云已经大致对齐,或者是有IMU(inertialmeasurementunit)、GNSS(globalnavigationsatellitesystem)、里程计等先验位姿,否则需要粗配准为其提供一个初始位姿(Ilci和Toth,2020)。简单的点与点的对应不具有鲁棒性,所以接下来很多工作都致力于寻找更加鲁棒的对应,如点对面、面对面和特征对特征。通过这些对应关系估计配准参数,这些对应关系提高了点云配准的正确率,降低了对正确初始位姿的依赖。

3地下空间开发地质适宜性三维评价方法

传统的城市地下空间开发的地质适宜性多基于二维平面开展，深度方向分辨率较差、可用性不强，限制了评价结果的推广和深度应用。近年来，三维空间分析和三维综合定量评价方法技术为地下空间的定量评价工作提供了新方法和手段，目前地下空间开发地质适宜性三维评价方法已被应用于多个地区的城市规划和工程建设工作，并取得了一定的成果。地下空间开发地质适宜性三维评价方法是一套针对地下空间开发地质适宜性的定量化评价的方法集合及流程体系。该方法体系涵盖了数据收集和整理、三维地质建模、三维指标体系构建、三维空间分析、三维定量综合评价等五部分内容，各部分内容相互关联，相互依托。根据实际评价研究的需要，可依次开展相关数据的分析和处理，最终实现对地下空间的定量综合评价。本文的地下空间开发地质适宜性三维评价系统基于上述方法及流程进行设计和开发，力求该系统在集成多元地学数据的条件下，容纳多种数据分析功能和方法，满足三维地质适宜性评价的各部分工作需求，实现地下空间开发地质适宜性的三维定量评价。

4无人机构建三维数字模型

随着科学技术发展，三维数字模型构建技术被应用在测绘数据展示中，以往在测绘结果的呈现过程中，主要是二维图像，形象化和动态性不足，未能给予相关人员较强的视觉感受，影响对地质结构信息的有效掌握。通过三维数字模型的构建，能够立体呈现测绘目标区域的实际情况，对真实地貌进行展示，并且注重满足人类视角习惯。三维数字模型技术应用后，数字划线图（DLG）与真实地质情况的符合率提升，技术使用优势十分明显。传统模式下，相关人员通过航空拍摄和地面摄影完成对相关数据资源的获取，但是在整个过程中，受到技术条件限制，会出现拍摄遗漏的情况，为测绘工作带来较多麻烦。而无人机低空摄影技术应用后，通过三维数字模型对测绘区域的地质地貌情况进行分析，在此基础上，对测绘数据真实性和完整性进行严格监督，达到技术应用效果。相关技术应用具有简单便利、门槛较低的优势，不仅提高了地质测绘工作效率，而且实现地质测绘技术升级，保证了地质测绘质量。使用无人机低空摄影技术后，相关人员需要首先做好数字划线图，对正射影像DOM进行处理，在此基础上构建三维数字模型。由于低空摄影拍摄距离较近，因此数据信息更加精准可靠，使用相关技术开展地质测绘后，信息数据准确度明显提高。

结束语

基础测绘是为经济社会发展和国防建设提供基础地理信息的基础性、公益性、先导性事业，是实现经济社会可持续发展的基础条件和重要保障。我国基础测绘经历了从模拟测绘到数字化测绘和信息化测绘的重大变革，逐步实现了全行业数字化转型，推动了数字化产品生产与服务体系的全面建立。但是，近年来数字化测绘技术带来的“红利”已基本用完，且面临数据完整覆盖难、信息自动化提取难、智能化服务难等困境，已无法有效满足新型基础设施建设、实景三维中国、自然资源管理与监测等国家重大需求。因此，从数字化测绘走向智能化测绘，综合利用空-天-地多平台、多类型对地观测手段和人工智能先进技术，建立以数据为基础、算法为核心、知识为引导、应用为驱动的智能化测绘新范式，为智能交通、智慧城市、全球变化等提供精准决策，已成为国内外测绘学者的普遍共识和热门话题。

参考文献

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张磊 男 1990 河南省郑州市 450000 河南伟宏测绘技术有限公司 专科 测绘方向