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探讨室内导航系统构建中实景激光扫描技术的应用
摘要：随着城市化进程的发展,人们在室内的时间越来越多,室内空间的应用价值也越来越高。在智慧城市的发展过程中,大量的室内空间需要数字化,室内空间数据的获取手段和数据应用需要进一步挖掘。本文利用三维实景激光扫描仪对北方工业大学浩学楼进行数据采集,创建了实景展示和实景导航,重点介绍了M3扫描车获取点云数据,并将点云数据进行拼接、去噪等处理,最后分析了点云数据的精度。由此可以得出实景激光扫描技术在建立室内导航系统中的可行性、高效性和准确性。
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三维激光扫描技术能够快速直接获取实体表面三维数据,并在计算机虚拟环境下快速准确的完成三维建模[1]。随着三维激光扫描设备在精度、效率和易操作性等方面性能的提升及成本的逐步下降,它迅速成为了测绘领域的研究热点,逐渐成为快速获取空间三维模型的主要方式之一[2]。
在国内,北京建筑大学最先使用三维激光扫描技术对北京故宫博物院进行了扫描,针对太和门、太和殿、寿康宫、神武门等重要建筑构件进行三维数字建模,获得用于重建历史文物建筑的数字化档案,为国内的室内建筑测绘开创了先河,也对文物保护做出了贡献[3,4]。
欧美国家在三维激光扫描技术行业中起步较早,始于上世纪60年代。发展最快的是机载三维激光扫描技术,目前该技术正逐渐走向成熟,在文物古迹保护、建筑规划、土木工程、室内设计、数字城市军事分析等方面大量应用[5,6,7]。
M3移动三维实景数据系统采用国际先进的计算机视觉和移动三维激光扫描技术,提供全球领先的快速三维实景数据采集能力,自动化数据处理能力以及领先的移动互联网实景数据发布平台。以基于HTML5开放标准的移动互联网平台为中心,将三维实景数据与物联网、社交媒体、室内定位技术、大数据分析和优化预测等结合,实现数字世界与物理世界的无缝融合。支持在线三维实景空间浏览、人机交互、定位导航、协同信息交互及高精度实景测量等,在数字博物馆、智慧展览、虚拟现实(VR)等领域有着广泛的应用[8,9,10]。
文章利用M3三维激光扫描车获取了北方工业大学浩学楼的实景数据和点云数据,对该建筑的点云和实景建立虚拟预览和路径导航网页,在此基础上对实景激光扫描技术在室内导航方面的可行性进行了讨论。
1、三维实景数据的获取
1.1点云数据获取的流程
获取原始的点云数据是室内扫描的首要任务,根据点云数据的获取方法,制定了点云数据获取的流程,由勘查现场环境、制定扫描方案、开始扫描、数据预览和结束扫描等过程组成,其中在勘查现场环境不符合要求时要重新改变现场环境;在预览数据不符合要求时要重新扫描。
1.2点云数据的处理
每次扫描过程最多持续45min,需要下载数据进行保存,数据过大处理时会出现差错,图像下载成功后将进行数据发布,系统会根据扫描获取的初步数据建立虚拟展示环境,通过这一功能可以反向检查扫描过程是否符合扫描数据的要求。图片下载结束后,可以进行数据预览,预览数据只是由扫描车简单处理发布的网页预览,图片和点云拼接并不完整,不能作为最终结果,只是方便使用者检查扫描过程中是否出现差错。如果出现差错,需要删除此次数据重新扫描。
本项目数据处理过程借助南京天枢星图信息技术有限公司的数据服务器以及处理器,采用适合NavVis运行的Ubuntu操作系统,同时电脑内安装了支持NavVis服务的软件和插件,能够协助完成数据处理。
2、基于点云数据建立三维实景导航系统
2.1地图校准
利用IndoorViewer软件生成扫描区域的云地图,将生成的地图匹配到世界地图网络里,需要在地图中找到扫描区域,通过放大地图、旋转、平移等操作将云地图拖拽到扫描的真实位置,通过这个过程来完成地图的全球定位校准,使实景数据与全球统一坐标系相吻合,匹配地图如图1所示。
图1匹配地图
2.2点云配准
对同一个物体进行多次扫描后,会有多组点云数据,点云配准的目的是将两组数据中同一点的点云进行匹配,也就是将两幅点云中相同点的点云放在一起。点云配准利用IndoorViewer中点的DatasetsAlignment命令来完成,点云配准的过程如图2所示。
图2点云配准
2.3创建兴趣点
在相应的房间位置添加兴趣点,将兴趣点与导航路径上的节点相连接,合成位置兴趣点,可以在搜索框输入兴趣点的名称,从而实现路径导航,使室内的导航能够准确的到达指定位置。兴趣点还可以添加兴趣点的信息介绍。
2.4点云去噪
点云数据是通过三维激光扫描头开放式扫描获取的,激光的穿透性强,建筑物中有很多窗户和门,缝隙较多,激光会透过缝隙扫描到多余的数据,同时,在经过窗口和安全通道时,会扫描到室外的树木和楼宇,都会产生多余的点云数据,在相对于研究需要的点云来说,这些多余的点云就是噪点。噪点会对有效数据产生干扰,所以要去除噪点,留下必要的点云。
噪点是以散点的形式存在,其中包括了扫描的窗外的景象、透过教室门缝扫描到的教室内的景象,由于这些噪点的存在,使得原始的点云数据变得参差不齐。把墙的边缘成为点云的界限,把多余出来的点云数据去除,形成一个可以建立完整建筑物实体的三维模型的基础数据。
3、创建导航路径
创建导航时,系统会根据扫描时采集数据节点,逐一创建新的导航节点,并用线段相连接,构成无数个三角网格,可以规划多种可能的路线,楼层与楼层之间通过电梯间相连接,在电梯间门口创建新的节点,并在该节点处创建向上延伸的线段与上一楼层的节点相连接。
由于电梯间和楼层是单独扫描的,所以在创立导航节点时是独立分开的,要将扫描采集点重合处的节点相连,以构成完整路径。如图3中所示为三层导航节点图。
图3导航节点
4、成果展示与精度评定
4.1成果展示
此次研究的成果主要分为两个部分,第一部分为三维实景浏览;第二部分为实景路径导航。实景浏览部分主要是由相机采集到的相片基于点云模型拼接完成,扫描获取的点云精度越高,照片拼接的越完整,实景浏览就越接近真实环境。实景路径导航是基于点云数据创建的三角网格节点,节点覆盖了所有的扫描区域,在制作路径导航时,会根据两个位置之间的位置差异,在后台计算各种到达目的地的路径,选出最优方案,显示在界面上,根据实景图像指导使用者到达目的地。
图4展示的是浩学楼土力学实验室,构建完成了虚拟浏览,可以看到实验室的全景,扫描获取的虚拟全景与现实看到的实验室景象完全一致,可以在虚拟终端浏览到整个实验室的全貌。
图4土力学实验室
虚拟展示不仅可以查看三维实景环境,还可以查看点云模式下的三维空间模型,扫描过程中采集到的原始点云数据经过计算机数据处理后,去除移动噪点的点云数据。在实景中可以实现虚拟测量功能,测量的基于点云两个点之间的距离,在开启测量功能时,鼠标可以捕捉到点击处的点云,两个点云的空间距离就是虚拟测得的实体距离。
在路径导航搜索框中分别输入房间号C107,确定目的地是C107,在右下角云地图中会出现路径节点示意图,途中会显示出所经过路线的实景环境,实景环境中出现导航路线图,引导使用者找到目的地。
途经地点会显示兴趣点点号的信息,可以查看实景环境中的兴趣点数据,了解实验室功能和教学教室的使用信息,完成智能实景导航服务,如图5所示。
图5导航功能展示
如果在导航过程中出现跨楼层的情况,后台会首选计算出当前定位楼层的路线到电梯间的路线,引导用户到达目的地的楼层,然后规划目的地楼层电梯间到目的地的路线,完成跨楼层的路径导航。
4.2精度评定
NavVis实景三维扫描的精度评定通过实际测量实体建筑物内特征点的相对距离和在点云模型中测得相同特征点之间的距离,经过多组的实测数据平均值和点云测量数据的平均值进行比对来评定其精度,对浩学楼大厅的地板砖、柱和梁做了三组取样,每组做50次对比测量,其中实测长度50次,实测使用卷尺测量,然后在IndoorViewer中测量对应的长度进行对比,对比数据如表1所示。
表1测量数据表
经过3组50次测量的数据对比,实测数据与点云环境下测得数据之差的绝对值最大仅为0.003cm,符合室内测量的精度要求,由此可以得出结论NavVis实景三维激光扫描系统的精度能够满足室内导航的要求。
5、结束语
利用三维实景激光扫描仪获取北方工业大学浩学楼的点云数据和全景照片,建立了三维实景浏览与路径导航,通过与实测对比来验证其精度,说明实景激光扫描技术在建立室内导航系统中是可行的、高效的、准确的。该技术可以在数字博物馆、智慧展览、虚拟现实(VR)等领域借鉴,有着广泛的应用前景。
参考文献：
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[3]丁延辉,高清林.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].北京测绘,2017(S2):63-67.
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[5]王琳琳.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用与问题分析[D].吉林长春:长春工程学院,2015.
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[7]丁延辉,汤羽扬.基于地面三维激光数据的建筑物变形监测的研究[J].北京测绘,2011(2):4-6.
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张敬宗,周鼎成,潘玉强,王维胜.基于实景激光扫描技术的室内导航系统的建立[J].北京测绘,2020,34(04):454-457.
基金:2018年北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”(108052961917/013);北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201510009010).
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期刊名称：应用光学
期刊人气：3789
主管单位：中国兵器工业集团公司
主办单位：中国兵工学会,中国兵器工业第二〇五研究所
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1002-2082
国内刊号：61-1171/O4
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2020-06-13
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