基于三维激光扫描的虚拟现实地理信息系统

李闯 姜海玲 卢宣奇

摘要  主要阐述利用三维激光扫描系统（以车载三维激光扫描为主）建立虚拟现实地理信息系统（Virtual Reality Geographic Information System）。将三维激光扫描系统的快捷便利等优点与VRGIS相结合，能够大大提高构建地物虚拟现实模型的效率。而三维激光扫描系统在精度上的优势更是能够提高VRGIS的数据可信度。两者的有机结合，对未来地理信息系统的全方面发展和应用有着重要的意义。

关键词 虚拟现实地理信息系统;三维激光扫描系统;车载激光扫描仪

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）06-063-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.06.029

Virtual Reality Geographic Information System bas？鄄ed on Three？鄄dimensional Laser Scanning

LI Chuang  et al（College of Tourism and Geographical Science， Jilin Normal University， Siping， Jilin 136000）

Abstract The establishment of virtual reality geographic information system based on three？鄄dimensional laser scanning system（dominated by vehicle？鄄mounted three？鄄dimensional laser scanning） was mainly described. Combining the advantages of three？鄄dimensional laser scanning system with VRGIS could greatly improve the efficiency of building virtual reality model of ground objects. The advantage of three？鄄dimensional laser scanning system in precision could improve the reliability of VRGIS data. The organic combination of three？鄄dimensional laser scanning system and VRGIS was of great significance to the development and application of geographic information system in all aspects in the future.

Key words   Virtual reality geographic information system; Three？鄄dimensional laser scanning system; Vehicular laser scanner

隨着地理信息科学的不断发展，二维的平面地理数据已经不能满足用户的需要，人们迫切地希望GIS计算得到的结果能够向着三维立体化方向发展，拥有更加优秀的人机交互[1]。在这一前提下，虚拟现实技术脱颖而出，成为地理信息系统未来重要的研究方向之一。虚拟现实技术对图形显示的生动直观以及沉浸式的特点，完全满足现代用户对GIS的新需要。而VR与GIS相结合，更是大势所趋。

传统的地理数据无论是矢量数据还是栅格数据都是二维的，如果利用其作为源数据应用于虚拟现实地理信息系统（Virtual Reality Geographic Information System，VRGIS）有着天然的劣势。二维数据想要形成三维立体的地形结构需要进行一系列复杂的操作，而在转换过程中因为各式各样的问题，很容易导致数据的精确度下降，从而影响VRGIS数据的可信度[2]。

为了解决这一问题，研究将引入三维激光扫描系统。该系统生成的点云数据不同于矢量与栅格数据，本身就是三维数据结构。利用点云数据作为VRGIS的源数据，能够很好地解决二维数据转换为三维数据过程中出现的一系列问题。研究将以实际操作经历为基础，探讨三维激光扫描系统与VRGIS的优点与不足，尝试提出将三维激光扫描系统与VRGIS相结合的可行性办法。

1 三维激光扫描系统与VRGIS简介

1.1 三维激光扫描系统

三维激光扫描技术初始于20世纪90年代中期，其原理简单地说就是利用光的反射性，通过激光回波的不同测量周围地物特征的一种新型测绘手段[3-4]。与传统测量模式相比，三维激光扫描能够快速、全面地获取空间点位信息，同时快速地建立物体的三维影像，避免了人工操作可能造成的误差，极大地提高了GIS获取地物信息的速度。

而如今，三维激光扫描已经从固定点位扫描向车载、机载等移动扫描方向发展，而在其中较为成熟，并且大范围应用的便是车载三维激光扫描系统。车载三维激光扫描仪是将三维激光扫描设备、卫星定位模块（GPS）、惯性测量装置IMU（Inertial measurement unit，即惯性测量单元，用于测量物体角速度与加速度，并以此解算出物体的姿态。一般地，一个IMU内会放置三轴的陀螺仪和3个方向的加速度计，并放置在仪器的重心上）、里程计（主要用于控制全景相机曝光）、360°全景相机、总成控制模块以及高性能板卡计算机集成，并将上述设备固定在汽车特定的平台上。由于激光的传播特性，该平台多放置在车顶偏尾部位置，以避免汽车车体对设备的遮挡。汽车、三维激光扫描仪、解算软件，这三部分共同组成了三维激光扫描系统。

1.2 虚拟现实地理信息系统（VRGIS）

虚拟现实地理信息系统是虚拟现实与地理信息系统结合的产物。现阶段，VRGIS事实上多为VGIS（Virtual Geographic Information System）。VGIS保证了GIS部分的分析功能，但是在VR方面的沉浸性，以及空间分析方面仍旧有所不足。VGIS对硬件的要求不高，在5～10年前硬件水平有限的时期，无疑是最为合适的选择[5]。但是随着硬件水平的发展，以及数据源的不断优化，VRGIS架构的困难正在一点点被克服。而随着用户需求的不断提升，有必要引入新的数据源，建立真正的沉浸式系统。

2 三维激光扫描系统引入VRGIS

2.1 建立虚拟现实地理信息系统的过程

制约VRGIS发展的主要因素体现在2个方面：图像显示问题和数据问题。前者受硬件与数据源的影响难以建立真正的沉浸式系统，后者庞大的数据量以及建立三维数据库等问题一直是遏制VRGIS发展的主要原因。

事实上，车载激光扫描系统能够很好地解决VRGIS的图形显示问题。首先，车载三维激光扫描系统得出的点云数据，本身就是三维的，其不需要像传统测量得出的数据一样进行多重复杂的转化，才能模型化、三维化，在数据源方面极大地降低了困难度。

由于硬件方面的限制，VRGIS需要在保证视觉效果的前提下尽量减少数据量，但由于数据分析方面的要求，关于地理信息方面的数据又必须尽量详实，这是一个矛盾的问题[6]。不过这方面可以用数据库以及云计算的方式解决。

由于车载激光扫描数据（即点云数据）拥有可编辑性，可以通过编辑将数据量巨大的点云数据转换成相对较小的矢量数据，即点云数据的矢量提取。

经过矢量化之后，得到的矢量数据远小于原始点云数据，而在这一过程中，也并不用担心丢失数据的问题，因为所有矢量线条都是可以编辑属性的，即每一条线条都能够表示其包含的地理信息。

利用得到的矢量数據，便可以编辑建立VRGIS系统。但由于矢量线条的组合并不美观，在用户使用时缺乏沉浸感。所以需要对矢量线条进行进一步处理，即利用3DMAX、AutoCAD等软件进行编辑，将三维的矢量线转化为模型。之后利用全景相机同步拍摄的地物实景照片进行后期的纹理贴覆，就可得到真实的三维地物模型。

建立模型之后，由于模型的框架就是之前提取得出的矢量框架，所以很容易就可以将两者关联在一起。而矢量框架又是在原始点云的基础上编辑出来的，所以可以根据相对位置获得相对应点的信息。而点云数据本身存在一个特点，那就是每一个点都包含着所有的地理信息，所以可以用以上的方式获取模型上任意位置的地理信息。而通过网络数据库和云计算，用户硬件所需要加载的只有数据量最小的模型数据而已。建立虚拟现实地理信息系统的流程如图1所示。

2.2 车载激光扫描系统的优势

与传统数据的矢量转化为模型相比，上述方法似乎并没有什么不同，而且在一定程度上讲还要复杂一些[7]。而车载激光扫描由于提取的矢量完全是沿着点云数据的方向，首先可以保证其姿态的完全正确，建立模型时只需要将建筑物四面有重叠的矢量线叠加在一起，如同拼纸盒子一样简单。而且相比于传统方法，上述得出的模型每一个点都能够查询到地理信息，在数据的全面性上远超于传统方法。所以利用车载三维激光扫描系统数据建立VRGIS是完全可行的。

2.3 车载激光三维扫描系统引入的问题与解决方案

2.3.1 数据冗余，无用数据过多 车载三维激光扫描系统得到的数据详细全面，但是同样的，该系统得出的数据量也是惊人的。以笔者曾经使用过的Riegl扫描仪为例，其点云数据生成数据速度为1 G/min，高速作业时行车速度平均为60 km/h，也就是说1 km会生成1 G的数据量。而事实上，数据中很大一部分是并不需要的多余数据，而目前三维激光扫描系统仍无法删选所获得的点云数据，后期处理也很难直接提取出所需要的地物类型，这也就造成了基础数据库的庞大，查询和调用上的不方便[8]。

以上问题并不容易彻底解决，目前来说，下述方法能够有效缓解这一问题。其一，建立网络数据库，利用云储存的方式储存大数据能够极大地降低储存问题。其二，统一数据标准，建立分布式数据库。随着云计算的不断发展，数据存储问题已经得到有效的缓解。但在数据冗余度问题解决之前，庞大的数据量依旧会成为制约VRGIS发展的重要问题。

2.3.2 数据转化为矢量时的误差 点云数据转化为矢量数据一般有2种方式，即自动提取与手动提取。由于技术的不成熟，手动提取依旧是不可或缺的存在。而无论是自动提取还是手动提取都存在一个问题，提取的矢量和原始点云之间存在一定的误差，这也就导致了地理信息的不准确。

对于数据的大面积自动化处理是必然的发展方向，而矢量的自动化提取也在迅速发展。相比于人工手动采集，计算机自动提取速度更快，也能够避免很多由于视觉误差造成的细小错误[9]。但是由于地形的多变性，现阶段的自动提取很难分辨出不规则地物以及被遮挡位置的地形种类，容易出现一定错误。不过相信在不远的将来，这一问题能够被解决，使得VRGIS的地理信息拥有更高的可信度。

2.3.3 点云数据本身误差 点云数据误差方面的问题大体分为2种：设备方面造成的数据问题以及后期数据处理方面的问题。

三维激光扫描仪对扫描数据的定位主要依靠卫星定位模块（GPS）以及惯性测量装置（IMU）2个部件。而这两者对工作环境都有一定的硬性要求。惯性测量装置IMU在一定程度上能够辅助GPS进行定位，两者优先级关系在信号优秀时是GPS>IMU。而当信号微弱时，IMU能够根据自己所记录的数据对点云进行修正。剧烈摇晃，上下颠簸会使IMU数据变得不准确。以上问题多为硬件与外界不可改变的影响，遇到这些问题时，只能尽量使仪器平稳，快速地通过影响较大的区域，以避免造成较大误差[10]。

后期數据处理方面的问题多出自参数，基站地理坐标不准确等问题。一般遇到这样的误差问题时，多采用后期点云数据纠正的方法。利用点云纠正，可以确保点云数据的准确性，一般只要提供的控制点（即用手持RTK采集点）数据足够准确，点云的地理信息精度可达到3 cm以下，完全可以满足大部分工程的需要。而以点云数据作为数据源，也能够保证VRGIS系统在数据方面的可信度。

3 结论

现如今，三维激光扫描仪正向着小型化、便携化方向发展，未来将在考古规划与墓穴建模、战场实时指挥以及遗址修复与建模上得到很好的应用。

相比于传统的数据获取方式，三维激光扫描系统获取数据速度快，得到的数据精确度高，其数据本身即三维化，相比于传统测量方法的二维数据有着无法比拟的优势。所以将三维激光扫描系统引入VRGIS之中，是有意义且有必要的。

人们对信息获取的方式是在不断变革的，由文字到图像，由图像到立体，由立体到沉浸化是必然的发展方向。而作为一种与时俱进的学科，地理信息科学也必然会随着用户习惯的改变而向着沉浸式虚拟现实的方向发展。所以，VRGIS是大势所趋，在未来的很长一段时间，VRGIS都将会成为地理信息科学的重点研究方向。

参考文献

[1] 陈述彭.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，1999.

[2] 王和顺，汪勇，徐宏.基于VRML的网络虚拟模型库创建的研究[J]. 机械与电子，2003（6）：67-68.

[3] 马纯永.城域景观VRGIS一体化仿真平台研究与实现[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[4] 王琼华，王爱红.三维立体显示综述[J]. 计算机应用，2010，30（3）：579-581，588.

[5] 邓红艳，武芳，殷畅.虚拟现实地理信息系统（VRGIS）——GIS研究的新领域[J]. 计算机应用研究，2002（9）：33-35.

[6] 陈戈，齐永阳，陈勇，等.面向城市仿真的VRGIS平台设计与实现[J]. 系统仿真学报，21（2）：457-460，464.

[7] 朱文军.地理可视化中的VR技术[J]. 测绘与空间地理信息，31（6）：89-92.

[8] 张文胜，马麟，李建国.基于图像的虚拟现实空间数据建模方法[J]. 城市勘测，2005（1）：45-47.

[9] 徐素宁，韦中亚，杨景春.虚拟现实技术在虚拟旅游中的应用[J].地理学与国土研究，2001（3）：92-96.

[10] 马慧. 基于VRML和GIS底层数据融合研究框架[J]. 电子科技，2007（2）：55-58.