（一）移动测量技术

移动测量技术是指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、影像数据和激光扫描数据，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采集与建库。基于移动测量技术的应用成果称为移动测量系统，或移动测图系统。

目前移动测量系统主要指基于机动车辆的移动道路测量系统，同时也包括不太常见的铁路机车及人工便携式的移动测图系统。其中，移动道路测量系统通过机动车上装配的GPS、INS、数码相机、数码摄像机和激光雷达等设备，在车辆高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据，特别适合于公路、铁路和电力线等带状地区的基础信息获取，在电子地图的制作与修测、城市三维建模等领域具有独特的优势。

1、发展状况

随着地理空间信息服务产业的快速发展，地理空间数据的需求也越来越旺盛。地理空间数据的生产，成为世界经济增长的一大热点。作为一种全新的地理空间数据采集方式，世界上最大的两家导航数据生产商NavTech和Tele Atlas均将移动测量系统作为其数据采集与更新的主要手段，并将移动测量技术视为公司的核心技术。可见，移动测量技术已经成为地理空间数据采集的最好解决方案，将在地理空间数据采集与更新中发挥越来越大的作用。

我国在移动测图领域的研究起步较早，现已在多传感器集成、系统误差检校、直接地理参考技术、交通地理信息系统等方面取得突破性的进展，并已有LD2000型系统移动道路测量系统等实用产品研制成功，其系统硬件、软件已出口韩国、意大利、伊朗等多个国家。其中最具代表性的有李德仁院士主持、立得空间信息技术有限公司研制的LD2000-RM移动道路测量系统和刘先林院长主持、首都师范大学研制的SSW车载测图系统。

我国的移动道路测量系统是在机动车上装配GPS（全球定位系统）、CCD（视频系统）、INS（惯性导航系统）或航位推算系统等先进的传感器和设备，在车辆的高速行进之中，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、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中，经事后编辑处理，形成各种有用的专题数据成果，如导航电子地图等等。另外，移动道路测量系统本身所具备的汽车导航等功能还可以用于道路状况、道路设施、电力设施等的实时监控，以迅速发现变化，实现对原图的及时修测。

经过多年的发展和应用，移动道路测量系统已分别在基础测绘、电子地图测制与修测、公路GIS与公路路产管理、电力GIS数据采集与可视化管理、铁路GIS与铁路资产管理系统和公安GIS等行业和领域中得到广泛应用，先后成功应用于黑龙江测绘局基于移动道路测量系统的数字道路采集生产实验、武汉市汉阳沌口经济技术开发区电子地图测制、韩国高速公路公司道路设施调查维护、湖北楚天告诉公路全程测绘、青藏铁路（格尔木-拉萨段）铁路设施以及相关地物采集与建库等项目。

2、关键技术

移动测量系统是一种多传感器集成的数字成图系统，一般由移动载体（车辆）、多传感器、车载计算机以及数据采集软件构成。移动测量系统的发展与应用主要依赖于以下关键技术的发展：

（1）多传感器集成技术

移动测量技术利用多种空间数据采集手段，将各种空间数据采集传感器进行集成，进行全面高精度空间数据采集，为地理信息系统和三维空间数据的采集提供全面、可靠、高效的方式。尽管多传感器系统与单个传感器系统相比有许多的优点但是多个传感器的引入使整个系统处理过程复杂化，同时也因此产生一系列新的问题，如多传感器描述的一致性问题、多传感器协调工作等问题。多传感器集成的关键是解决了多传感器选择和多传感器的控制。

（2）系统误差检校技术

移动测量技术集成多个传感器，因此多传感器集成系统的整体检校技术是保证系统误差的重要条件。多传感器集成系统的检校技术包括相对标定和绝对标定，其中：相对标定是指各传感器内在参数的求解，以便获得该传感器或传感器组具有相对于自身安装中心的相对测量能力。相对标定还包括多影像传感器、GPS/INS、倾斜仪子系统之间的标定。一般在室内比较高精度的控制场内完成移动测量系统的相对标定。绝对标定是指各传感器与绝对位置姿态传感器之间的相对关系求解。主要通过车载立体摄影测量子系统对室外标志点的成像测量所得的相对坐标系中的坐标、GPS/INS记录的大地坐标位置和姿态信息以及室外标志点的大地坐标解算出求解参数。

（3）直接地理参考技术

对于多传感器集成空间数据采集系统而言最重要的是直接地理坐标参考。直接地理坐标指不使用地面控制点和摄影测量三角测量的方法来确定测量传感器的坐标，使得移动测量系统成为一种独立的测成图系统。

3、发展展望

随着工业数码相机、地面激光雷达等新型传感器数据获取能力的提高与应用领域的不断扩展，以及新型移动测量平台的逐渐成熟，多种传感器之间的集成与数据融合，地理信息的快速获取和更新将成为移动测量技术发展的重要趋势，具体表现在以下几个方面：

（1）新型传感器的广泛应用

新型的机载激光雷达系统通常集成了中等幅面的数码相机，可同时获取点云数据与影像数据，并具有外业成本低、内业处理简单等优点，将成为移动测量系统数据获取的重要手段。

（2）多传感器的有效集成

同时采用多种传感器进行观测，可有效提高测量结果的精度和可靠性，现已被广泛地应用于摄影测量的数据获取。但目前多传感器集成的潜力还远未被挖掘，数据集成算法的优化将成为多传感器集成技术的关键。其中激光点云数据与光学影像之间的融合技术将成为未来几年的重要研究方向。

（3）移动测量软件平台的并行化与智能化

随着新型影像传感器分辨率的提升和地面激光雷达扫描密度的增加，获取的数据量可成倍增加。另外，随着测量周期的缩短以及应急响应的需求，要求数据处理必须能在短时间内完成，给移动测量软件平台的数据处理能力带来了新的挑战。这将推动移动测量软件平台向并行化架构方向发展，并在软件开发中采用更为合理的并行计算模式。

（二）地面激光扫描技术

地面激光扫描技术是一种从复杂实体或实景中重建目标全景三维数据及模型的技术。激光扫描技术突破了传统的单点测量方式，具有速度快、非接触、高密度、自动化等特性，是继GPS后测绘领域又一次重大技术革新。

激光扫描技术标志性的设备——激光扫描仪是从主动式非接触激光测距仪发展而来。非接触激光测距的方式主要有基于三角原理的单点式、直线式、结构光式测距和基于飞行时间法的脉冲式、相位式。地面激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanner，TLS）是采用主动式非接触激光测距，通过扫描镜及伺服马达实现三维扫描，高速度、高密度、高精度地获取目标表面三维点坐标及纹理的信息采集系统。它具有原理简单、操作方便及便于携带等优点，广泛应用于文物保护、地形测绘、矿山测量、变形监测、逆向工程以及虚拟现实等多个领域。

1、发展状况

在过去的30多年里，随着电子元器件和光电技术的发展，三维激光扫描技术已经成功地从上世纪80年代的实验阶段和90年代的验证阶段跨入成熟的应用阶段。随着三维激光扫描仪在测绘中的应用与推广，一些测绘中的先进技术逐渐集成到扫描仪上，如新型的地面三维扫描仪包含电子气泡、倾斜补偿器、电子对中、多传感器融合（相机、GPS）等等，使其成为继经纬仪系统、摄影测量系统及GPS后又一重要的三维信息获取手段。

三维激光扫描技术可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作。它的用途广泛，典型的用途包括文物保护（图1）、矿山测量（图2）、变形监测（图3）、基础设施建设测量（图4、图5、图6）等。

图1  兵马俑2号俑坑发掘

图2 矿山测量

图 3 桥梁监测

图4 昆明新机场建设

图5  钢结构测量

目前已有多个厂商提供地面三维激光扫描仪。典型的有奥地利Riegl公司的LMS-Z620、VZ-400和VZ-1000等，瑞士Leica公司ScanStation2、ScanStation C10、HDS6200等，美国Trimble公司的GS101、GS200和GX等、加拿大Optech公司ILRIS系列、日本Topcon公司的GLS1000、美国Faro公司的PHOTON20和PHOTON80及Metris公司的工业计量型激光扫描仪MV224和MV260等。

2、关键技术

激光扫描仪经过多年的发展和不断完善，硬件技术及系统的集成问题已基本获得解决。但数据获取后大量的数据后处理称为地面激光扫描技术应用的关键，主要涉及以下关键技术和流程。

（1）多站拼接技术

扫描获得的点云坐标是定义在仪器坐标系下的，不同测站的数据存在坐标的统一问题，即需要将同一对象的不同测站数据合并到统一的坐标系下，这个过程称为多站拼接。常用的多站拼接方法有ICP法、特征法、人工标志法等。

（2）滤波与光顺技术

在点云的实际测量过程中受到各种人为或环境因素的影响，使得测量结果包含噪声。根据噪声的性质将噪声分为两类：浮游点和随机误差。浮游点指无关点、不感兴趣的点，如地形扫描时，有效点为地面点，而树木、房屋等地物的扫描点是不需要的，称为浮游点，需要在建模前将其剔除。随机误差指由测量条件中各种随机因素的偶然性影响而产生的误差，会使光滑表面的采样结果高低起伏，不够平滑。针对两类不同的噪声，存在两种不同的数据处理方法：第一类噪声的剔除称为滤波，处理结果为将浮游点删除；第二类噪声的降低或消除称为光顺，处理结果为对噪声点的位置进行调整，使模型变得光滑顺眼。

（3）点云简化技术

扫描得到的点云数据是海量的，庞大的点云数据对后续处理以及存储、显示、传送等操作带来不便，处理时占用大量计算机资源并花费大量时间。如果直接对点云进行造型处理，大量的数据进行存储和处理也成了不可突破的瓶颈，从数据点生成模型表面要花很长一段时间，整个过程也会变得难以控制。在实际的逆向操作中，不是所有点都可以用于曲线曲面重构的，过多的点云数据反而可能会影响曲面的光顺性。所以对测量的海量数据进行数据简化是十分必要的。对点云数据简化的前提是要保证加工过程的精度。

（4）三维建模技术

不同类别的对象在细节表现方面有不同的需求，因此在建模时会根据对象复杂程度采用两种策略。对于具有规则几何结构的实体重建，通常只需应用基本的几何结构，如矩形、圆形、圆柱、立方体等常规的几何形状来构建实体模型，方法简单直观且容易实现。对于空间几何形状比较复杂的对象，其离散点云数据没有特定的空间分布规律，重建工作只能基于点与点之间的邻接关系和局部的表面分段匹配来实现。针对不同的应用和不同特征的点云数据，实现重建的自动化算法有很多，如NURBS曲面方法、 空间Delauany三角剖分等。

（5）纹理映射技术

纹理映射是解决物体表面细节的一种显示技术，一般来说物体表面细节分为两种，一种是表面的各种非立体的彩色图案，称为色彩纹理；一种是表面上各种凹凸不平的形状，称为几何纹理。几何纹理一般可以采用纹理映射技术映射到物体表面，颜色纹理可采用纹理映射技术映射到物体表面上。这种技术可将任意的平面图形或图像覆盖到物体表面上，在物体表面形成真实的色彩花纹。图像可以是各种方式获得的图像，如扫描方式输入的照片，手工画得图案和数学方法定义得函数等。纹理图案可以是一维的、二维的，也可以是三维的。扫描仪首先获取目标的几何信息，然后将相机获取的二维图像通过纹理映射的方式和几何信息进行融合，从而可以获取具有真实色彩纹理的模型。对点云模型进行纹理映射本质上说就是要建立点云模型中点的空间坐标和纹理坐标的对应关系，之后就可以将纹理上的属性映射到模型中的点上。

3、发展展望

        三维激光扫描技术可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段，特别适合具有复杂形状的对象的测量。今后三维激光扫描仪的研究和进一步应用主要体现在以下几个方面：

1）进一步提高精度，解决精密工程测量问题和工业测量问题；

2）与其他传感器集成，如与摄影测量系统的集成，与动态测量车的集成，相互利用其优点，扩展应用领域，提高工作效率；

3）进一步研究3维激光扫描仪从静态测量到动态测量的各项指标；

4）数据处理软件的已有功能的完善与新功能的进一步开发；

5）降低设备使用成本。

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