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征图家族趣谈
 
 
2017-03-30 19:53 编辑:文 / 黃小川(征图三维(北京)激光技术有限企业技术总监) 浏览量:3121人
 
 

 
 

编者按:拥有高精尖技术装备和高颜值技术团队的“征图”吸引了无数人的眼球。编辑部邀请征图企业技术总监向大家先容征图的几款产品,他做到了。而且,他还顺带畅想了一下三年后的光景。


2020年夏,北京。

 

我叫卫东,此刻我正骑着自行车,吸着新鲜的雾霾,赶在上班的路上。上班的地方在六环,是今晚开什么特马集团的仪器生产工厂。我有一个兴趣爱好,就是喜欢记录身边的环境,因此我买了一个微型的全景相机,就放在自行车头盔上,上班下班,日出日落,我所看到的场景,都能毫无遗漏地记录在相机内,并配合着内置的GPS模块,将拍照的位置与时刻一起上传到云端。在我的云盘里,照片记录着这一片经济开发区每一天的改变。与我做着同样事情的还有另一个人,那是老白,一名环卫工。从前年开始,他的环卫车上就安装了一台全景相机,每天开着环卫车工作时,全景相机就会自动拍照并上传。有一次老白和我抱怨:“有了这台相机,每天去了哪儿,工作有没有完成,道路有没有清洁干净,别人一看照片就知道了,再也没法偷懒了。”很明显,这全景相机并不是老白自己装的。不过老白不知道的是,这些全景相机可不仅仅用来监控他是否偷懒,它们最大的作用,其实是识别并采集道路上的路灯、井盖、垃圾桶等公共设施信息。这些全景相机集成了GPS和惯性导航单元,可以对这些物体进行量测和定位,而计算机的深度学习算法可以很轻易地识别这些物体,城市的公共部门可以利用每天所拍摄的全景照片掌握这些公共设施的状态,从而知道哪里的路灯坏了、哪里的井盖被偷、哪里的垃圾桶没人管理等。为什么我会知道?因为这些全景相机都是大家企业生产的,他的全名叫全景移动测量系统,代号L10。

 

到了企业,一楼是生产车间。车间负责人是老孟,L10全景移动测量系统就是老孟亲手组装的。从前车间里主要是生产全站仪,三年前,随着集团开始生产新型测绘装备,这里开始有了全景相机、激光扫描仪以及各种移动测量产品。最开始,产品的销量并不高,因为太贵,好几百万的设备,能买得起的单位和个人太少,老孟一个人就能完成几乎所有设备的组装和生产。但后来,随着设备成本的降低,特别是全景相机和低精度的激光扫描仪,成本降到了一两万,结合企业的一些其他的技术,一套售价不到十万的设备就能完成一些基本的测绘和民用需求。因此,产品需求量迅速增长,老孟彻底忙不过来了,不过他乐在其中。随着设备不断地更新换代,老孟看着自己手中造型变得越来越优美、性能变得越来越稳定的设备,就像看着自己的孩子在长大。

 

我的职责是数据管理。具体来说,就是接收各个项目组传输回来的采集数据,这些数据主要是企业生产的移动测量系统所采集的影像和激光点云数据,在外业人员数据采集完毕后,我要将这些数据进行预处理并上传到企业的服务器。例如为GPS数据添加基站数据并差分,在一些GPS信号特别不好的地方,要搜索数据库看有没有对应地区的控制点,否则就要通知外业采集人员进行控制点放样;又例如在处理点云数据时,我要根据外业人员所提供的地方投影参数进行点云数据的重投影,使之与当地的坐标系统一,同时也要处理出以经纬度为坐标的点云,使之与服务器中存储的所有点云数据套和;再例如,我要同时加载外业人员以往所采集的各种载体的数据,并将这些数据显示给外业人员,让他们知道哪里是因为遮挡而没有采集到点云的地方,哪里因为精度不够而出现了数据分层,从而根据情况选择对应的移动载体进行补测。

 

一打开电脑,就提示有十几封邮件还未处理,其中一封来自彦祖。彦祖是个老司机,虽然他只有26岁,但他车技很好,企业的其中一台激光扫描移动测量车常年由他驾驶,一年跑过的里程比得上一个出租车司机。企业的车载移动测量系统代号R1000,经过不断的改进,成本不断降低,性能更为稳定,系统包含有激光扫描仪、全景相机、GPS板卡、惯性导航单元以及里程计,可以同时采集高精度的点云以及全景照片数据。由于自动驾驶技术逐渐成熟,许多无人车辆已经开始在高速公路上使用。这必须要依靠高精度的三维道路模型。而车载移动测量系统所采集的高精度道路点云便是制作三维道路模型最好的数据源。因此,各大导航地图与汽车制造商纷纷开始高精度道路点云的采集。如今,全国的高速公路基本采集完毕,接下来就是国道。邮件附件里就是彦祖昨天采集的原始数据,我将GPS轨迹处理出来,在数字地球上显示,地点在河南的一个县城。数据质量很不错,一路上车很少,路边的房屋也很低矮,GPS信号一直良好,App显示的轨迹精度基本都在2厘米以内。我将处理好的点云数据存放到服务器里,与之前采集的路网连接,确认衔接良好,没有错位,再调出数据库里的当地控制点,确认误差在允许范围之内。彦祖每晚也会用自己的工作站对当天的原始数据进行处理,但由于笔记本电脑计算能力有限,处理需要花费一个晚上的时间,而我利用服务器的强大计算能力处理起来非常快。确认数据没有问题,他才会继续开始新路段的采集。

 

第二封邮件来自老龚。他现在的位置在紫禁城,他的项目组要对整个紫禁城的所有物体,大到三大殿、小到一草一木进行扫描。项目组配备有两台背包式移动测量系统,以及三台固定式激光扫描仪。背包式移动测量系统使用了先进的激光SLAM算法,可以在没有GPS信号的环境下使用,采集人员只要背起背包,按正常速度行走,就可得到周围物体的激光点云数据,再配合背包上面的全景相机,便可以得到真彩色的点云。故宫其实在许多年前就已经使用固定式激光扫描仪进行了全面的扫描,但是由于移动背包式扫描技术的成熟,使全面扫描变成了常态,基本上每两个月就要扫描一次,而一次完整的扫描基本上只需要三天。每次扫描的数据在过滤掉行人之后可以与以往的数据进行叠加分析,计算机可以自动找到变动以及异常的地方,这样一来,建筑的老化、游人的破坏,都可以用计算机自动准确地查找,工作人员就可以及时地对文物进行保护和修复。文物保护需要点云尽可能精细,而企业由于具备了无限量点云的拼接以及显示技术,因此老龚在扫描点云数据时点云是越多越好,越密集越好,每天发给我的原始数据就有几百个G。我把数据下载下来,交给服务器进行点云优化以及拼接处理。服务器处理得到的点云数据在建立索引之后可以让外业人员使用手机进行实时浏览,老龚便可以直接在手机上查看完成进度以及哪里需要补测。

 

第三封邮件来自五四。五四是一名无人机驾驶员,有牌有照,常年操控着企业的无人机测量系统,系统代号V100,集成了数码相机和小型激光扫描仪,使用企业生产的天鹰系列无人机,经过不断改良,既能够得到中精度的激光点云数据,又能够使用倾斜摄影技术生产出格网模型,而且售价较低,在市场上很受欢迎。近年来,激光扫描和倾斜摄影技术的结合越来越紧密。由于传感器和算法的限制,对于一些结构复杂、棱角分明和线状的物体,仅仅使用倾斜摄影技术难以得到特别精确的数据;而单单使用激光点云则难以如倾斜摄影模型一般真实,因而倾斜摄影技术与激光点云的结合成为了趋势。依靠企业的App,可以将倾斜摄影生成的点云与激光点云互补,特别是一些高楼林立、城市密集的地方,仅使用机载设备难以获取近地面的精细点云,而使用地面采集设备,如车载或背包测量系统,就可以将地物替换成更为精细的点云,从而使最后生成的模型更为完整和精确。五四现在风景甲桂林的阳朔,邮件附件里有他昨天使用无人机拍摄的阳朔山区和城区数据,同时也有他使用背包设备拍摄的阳朔城区地面数据。我需要使用服务器将照片和激光数据进行综合处理,批量生成高精度的三维模型,这些逼真的三维模型可以让人们带着虚拟现实头盔,在千里之外欣赏桂林美丽的山水。五四还是个业余摄影师,附件里还有一张他从拍摄的照片里截的一张图,由于背包系统上的全景相机是数台相机镜头拼接而成的,因此图像分辨率非常高,作为墙纸控的我立马将自己的电脑桌面换成了它。

 

突然,QQ响了,是小芳发来的消息。她说有一所学校要买大家的点云数据,需要沿海某个市的城市高精度三维点云以及航拍照片用作科学研究,合同已签订,待会就送来。我作为数据管理人员,需要检查那座城市的点云及影像数据有无问题。在经过各种项目获得了大量的点云和影像数据后,企业每天都会收到各种购买数据的邮件和电话。高精度的点云作为一种基础数据,用途十分广泛,并且由于大家使用多种载体进行数据采集,使大家的点云可以全方位无遗漏地覆盖城市的每一个细节:机载可以覆盖屋顶、车载可以覆盖路面和道路两旁、背包则可以覆盖人行道、室内及地下……因此,将这些不同时间、不同载体、经过滤波处理之后的点云整合到一起,就成了各行各业最理想的地理基础数据。对于城市规划和交通部门人员来说,可以用于建立城市三维模型,作为城市规划和改建的参照和底图;对于消防和安全部门来说,可以更为合理地设计应急抢险措施,并查找出城市的安全隐患;对于基础设施部门来说,城市地下设施的管理一直是老大难问题,有了精确的地上和地下点云数据,大家脚底深处有什么东西也就一目了然。而各大高校则是数据购买主力军,不单是地理信息以及测绘专业需要大家的点云数据,一些其他的专业,例如城规、土木、地质、海洋、电力、农林等专业都需要大量的高精度地理数据,甚至一些考古、经济、植物、动物、生态、人类学专业都有购买需求。当然,大部分的数据大家都在项目之前就签署了保密协议,使用这些数据必须经过相关部门甚至是政府的同意。

 

不一会儿,贝塔送来了合同。贝塔全名贝塔狗,它不是狗,是一台机器人,而且长得也不像狗,就是一个半人高的圆柱,底部有万向轮,合同就放在圆柱顶端的托盘上。大家的企业大楼内部早已经过全方位的点云扫描,每一条通道、每一个办公桌都在服务器里。只要告诉贝塔把东西送给谁,贝塔就可以依靠身上的激光扫描仪和摄像头,运用SLAM定位以及深度学习算法自己走到收件人的位置。我签了合同,把数据发到了指定邮箱,给贝塔说了句交给小芳,贝塔汪汪两声便走开了——设计人员为了省事,删掉了语音功能。

 

继续看邮件,这一封来自上财。上财不是大学,而是一个25岁的小伙。邮件里除了数据,还附带一张他的自拍,海边、墨镜、沙滩裤——看来他的海岛之行挺顺利。上财的项目是要对山东的一些海岛进行数据采集,项目组要在当地海洋局的带领下,采集海岛的地形、海岸以及周边海底数据。企业的船载移动测量系统集成了水上水下两种传感器,水上使用远距离激光扫描仪进行激光点云扫描,水下则使用多波束进行水底地形探测。另外,由于要对海岛上的地形进行扫描,还配备了一台搭载了小型激光扫描仪和相机的多旋翼的无人机,也就是五四驾驶的V100,这样项目人员不用上岛就可以在船上操作无人机来获取海岛数据。我需要做的是将这些海陆空数据全部处理出来,整合到一起。同时上财还要求我对海岛上的点云以及航拍数据进行处理,包括将地面与地物点云分离、建立DEM和DOM、统计树高以及冠层面积。服务器的数据处理速度虽然很快,但更为精确的结果还是需要人工去检查以及辅助分类。

 

下一封邮件来自小官。小官要去谈一个大项目,需要对西部好几十万平方公里的地形数据进行采集。附件里是他采集的一段小面积的试点数据,用户需要检验数据的质量和精度是否能够做出1:1000比例尺的地图,再决定是否将这个项目交给大家。数据是用R1000系统采集的,这其实是一个机载车载两用系统,既可以放在车上搭配里程计采集地面道路数据,也可放在有人机上采集大面积的地形数据。R1000的载体是动力三角翼,这种飞机最多可以搭载两个人,在机身下面挂载一个激光扫描仪完全不会影响飞行,而且租用一天只需要几千块钱,比租用大飞机或者直升机要划算得多。一般来说,飞机在200米以内的高度所采集的点云数据足以完成1:500比例尺的地图绘制,因此只要采集流程正确,数据的质量和精度我完全不用担心。

 

忙碌的一天很快过去了。不知不觉,进入测绘行业已经三年了。三年前,我对测绘业的认识还只有全站仪、RTK,我曾经以为毕业后不是扛着三脚架跋山涉水,就是坐在办公室戴立体眼镜。移动测量技术的发展改变了我的人生轨迹,我从没有想过人类能够像今天这样如此高效而精准地丈量大地。大家的地球、大家的城市在不断地被复刻,精确到分米、厘米,频繁到每月、每天。我所管理的数据库就像是一个冰箱,每天都有新的食材被加入,以供各行各业的人们提取,制作出他们想要的美味。测绘再也不仅仅是测绘,它与其他行业不断地交融,与军工导弹技术的结合,使组合导航技术运用到了移动激光测量车上;与机器人技术的结合,使SLAM技术运用到了移动背包系统上;与计算机视觉技术的结合,使全景量测技术运用到了街景车上;与数据结构技术的结合,更使无限量的点云加载和浏览成为可能;还有更多的传感器,如多波束、红外相机、高光谱相机、探地雷达等加入到了移动测量设备的行列,使移动测量设备种类更为繁多,用途更为广泛。人类的智慧无穷无尽,古老的测绘掀开新的篇章,移动测量,已踏上征途。

 

 
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