機(jī)載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)構(gòu)建

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1、機(jī)載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)構(gòu)建　　摘要：三維激光測繪已廣泛應(yīng)用于城市測繪中，機(jī)載三維激光掃描儀是當(dāng)前測繪領(lǐng)域的一個新標(biāo)桿，但大部分技術(shù)仍由國外壟斷，研發(fā)機(jī)載三維激光掃描儀和相配套的軟件尤為必要。機(jī)載三維激光掃描儀研制需要從硬件和軟件兩個部分著手，從掃描儀得到原始點云數(shù)據(jù)后，通過相應(yīng)軟件對數(shù)據(jù)作后期處理，設(shè)計出友好的交互界面，展現(xiàn)場景，實現(xiàn)三維重構(gòu)?！　￡P(guān)鍵詞：機(jī)載激光掃描儀；點云；三維重構(gòu)　　DOIDOI：10.11907/rjdk.162060　　中圖分類號：TP319　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0087-02　

2、　0引言　　機(jī)載三維激光測量技術(shù)是一項前沿性研究課題[1]。機(jī)載三維激光掃描儀具有很多傳統(tǒng)測繪儀器無法比擬的優(yōu)越性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[2]，如地形測繪、災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測、森林?jǐn)?shù)字高程圖獲取、城市三維建模等，還應(yīng)用于工程建設(shè)、逆向工程、電線管道布局、3D打印等領(lǐng)域。我國大部分激光掃描儀主要靠國外公司提供相關(guān)技術(shù)支持。研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)載三維激光掃描儀具有重要意義。本文以掃描儀系統(tǒng)硬件為出發(fā)點，介紹硬件系統(tǒng)架構(gòu)及其技術(shù)難點，針對硬件特點分析軟件功能需求，最后利用點云庫完成軟件系統(tǒng)開發(fā)?！　?系統(tǒng)硬件架構(gòu)8　　1.1硬件架構(gòu)分析　　本系統(tǒng)分為儀器

3、和軟件兩個部分。儀器設(shè)計需滿足測量要求，實現(xiàn)高速精準(zhǔn)掃描、全波段數(shù)據(jù)采集，具有效率高、可靠性好、便于維護(hù)等特點。儀器系統(tǒng)主要由6個部分組成，即激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)掃描鏡與收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時間測量系統(tǒng)、高精度頻率源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)，如圖1所示?！　?.2儀器功能實現(xiàn)　　硬件系統(tǒng)的核心為掃描鏡收發(fā)光路系統(tǒng)、高精度時間測量與控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]。收發(fā)光路系統(tǒng)主要包括卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、變焦擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、窄帶光濾波等。由于激光的單色性較好，主要對藍(lán)綠光波進(jìn)行接收，采用可變增益的PMT光電倍增管，實現(xiàn)100dB的動態(tài)接收范圍，確保能夠

4、接收到微弱的回波信號。　　掃描儀測距由一個高精度時間測量系統(tǒng)實現(xiàn)，采用FPGA搭建控制電路來控制時間脈沖觸發(fā)，采用先進(jìn)的時間頻率測控技術(shù)馴服高穩(wěn)定度的銣原子鐘，將高穩(wěn)定度、低相噪雙槽恒溫晶振鎖定在銣原子鐘上，將GPS衛(wèi)星的長期穩(wěn)定性原子頻標(biāo)的中期穩(wěn)定性與高穩(wěn)晶振的短期穩(wěn)定性完美結(jié)合，使采樣頻率同步在GPS原子鐘信號上，保證激光掃描儀的探測精度。　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速數(shù)字采集卡和磁盤陣列存儲服務(wù)器構(gòu)成。高速數(shù)字采集卡將光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。機(jī)載三維激光掃描儀的探測發(fā)射脈沖寬度小于5ns，保證回波脈沖數(shù)據(jù)采集時不失真，系統(tǒng)設(shè)計的回波

5、采樣率達(dá)到1GHz，采樣位數(shù)為12位?！　?系統(tǒng)需求分析8　　機(jī)載三維激光掃描儀主要用在測繪領(lǐng)域，分為近距離和遠(yuǎn)距離兩種，其中遠(yuǎn)距離激光主要是激光雷達(dá)系統(tǒng)，近距離掃描儀主要為微軟的Kinect[3-4]?！　C(jī)載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)關(guān)鍵為點云數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析處理及場景重建。所設(shè)計的軟件要能夠處理掃描儀的原始數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)分析處理、濾波精簡、三維重建等?！　≤浖到y(tǒng)主要由4個部分組成，包括數(shù)據(jù)讀寫、點云顯示、濾波、網(wǎng)格重建[5]。實現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)處理和使用，與掃描儀器構(gòu)成一套完備的測繪系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。　　3系統(tǒng)軟件實現(xiàn)　　軟件系統(tǒng)

6、的關(guān)鍵技術(shù)在于點云讀寫存儲、濾波和網(wǎng)格重建?；赒T平臺和PCL（PointCloudLibrary），通過CMake編譯VTK（VisualizationToolkit）QT插件，實現(xiàn)可視化與點云庫協(xié)同操作，由QT提供交互界面?！　↑c云讀寫存儲由PCL提供的IO類繼承而來，主要針對PCD格式的點云數(shù)據(jù)和PLY格式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[6]，格式統(tǒng)一，便于數(shù)據(jù)處理。讀取點云數(shù)據(jù)時先根據(jù)文件后綴判斷格式，是否以.pcd或者.ply格式結(jié)尾，是則讀取，否則返回。讀取后對數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏判斷，若為密集數(shù)據(jù)，則從數(shù)據(jù)中剔除NAN字符，完成數(shù)據(jù)讀取。同理，完成點云的存儲操作，

7、作下一步處理，讀取點云數(shù)據(jù)的程序代碼如下：　　QStringfilename=QFileDialog：：getOpenFileName（this，tr（"OpenPointCloud"），"D："，tr（"PointCloudData（*.pcd8*.ply）"））；　　PCL_INFO（"Filechose：%s＼＼n"，filename.toStdString（）.c_str（））；　　pcl：：PointCloud：Ptrcloud_tmp（newpcl：：PointCloud）；　　if（filename.isEmpty（））　　return；

8、　　intreturn_status；　　if（filename.endsWith（".pcd