眾所周知，車載激光雷達(dá)系統(tǒng)是面向自動(dòng)駕駛的高精度地圖制作的核心組件之一，而處理該系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是高精度地圖制作的必經(jīng)環(huán)節(jié)，但是如何快速、智能處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)卻是行業(yè)公認(rèn)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

       為解決這一難題，各家企業(yè)均投入了大量的人力和物力，但是截至到2017年底，國內(nèi)市場上一直沒有出現(xiàn)一款真正意義上的商業(yè)化點(diǎn)云智能處理軟件，如今這一局面有望被“點(diǎn)云催化劑(Point Cloud Catalyst，PCC)”打破。

　　2018年2月23日，當(dāng)大多數(shù)人還沉浸在新春的慵懶氛圍中時(shí)，Innoviz Technology公司發(fā)布新款激光雷達(dá)掃描方案，正式拉開了2018自動(dòng)駕駛領(lǐng)域行業(yè)競爭的序幕。

　　隨后，谷歌Waymo、特斯拉、華為等自動(dòng)駕駛領(lǐng)域一線企業(yè)均發(fā)布了最新進(jìn)展，自動(dòng)駕駛創(chuàng)業(yè)公司May Mobility和 Aurora 分別獲得了1150萬美元和 9000 萬美元融資。

　　然而，在硝煙彌漫的自動(dòng)駕駛市場上，有一股新興的力量正在悄然興起。據(jù)了解，一款名為點(diǎn)云催化劑(Point Cloud Catalyst，PCC)的點(diǎn)云智能處理商業(yè)軟件日前在武漢經(jīng)過了路測。其結(jié)果顯示，裝配了該軟件的單臺計(jì)算機(jī)工作站可以在24小時(shí)內(nèi)完成500億個(gè)點(diǎn)的處理和信息提取任務(wù)，且在無需訓(xùn)練樣本的情況下實(shí)現(xiàn)高等級道路及道路周邊點(diǎn)云自動(dòng)分類和目標(biāo)識別精度均在90%以上。該軟件有可能成為國內(nèi)第一款面向高精度地圖制作的點(diǎn)云智能處理商業(yè)軟件。

　　為了解該項(xiàng)目的具體進(jìn)展，泰伯網(wǎng)記者獨(dú)家采訪了軟件的研發(fā)者林祥國博士。

　　泰伯網(wǎng)：林博士，據(jù)了解此前你一直專注于攝影測量與遙感領(lǐng)域的研究，研究成果多與機(jī)載激光雷達(dá)有關(guān)，但是此次研發(fā)的軟件卻轉(zhuǎn)向了車載激光雷達(dá)，并服務(wù)于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。能否請你介紹一下激光雷達(dá)與自動(dòng)駕駛之間的關(guān)系?

　　林祥國：隨著科技的飛速發(fā)展，自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為目前全球范圍內(nèi)一個(gè)新的發(fā)展趨勢。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，目前有兩大技術(shù)路徑：一是“輔助駕駛”升級路線，其探測技術(shù)基礎(chǔ)是攝像頭(機(jī)器視覺)、毫米波雷達(dá)、超聲雷達(dá);二是“無人駕駛”路線，其探測技術(shù)基礎(chǔ)是以激光雷達(dá)(LiDAR)為核心、并融合多種技術(shù)。

　　但是無論采用何種技術(shù)路徑，自動(dòng)駕駛依賴的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一便是高精度地圖。高精度地圖不僅可以提供高精度車道級信息及其它豐富的自動(dòng)駕駛地圖要素，還可以提供與之配套的專業(yè)定位圖層和反饋閉環(huán)。

　　所謂的高精度地圖，實(shí)際上是和我們現(xiàn)在已經(jīng)普及的普通導(dǎo)航電子地圖做比較來說的。高精度，一方面高精度電子地圖的絕對坐標(biāo)精度更高;另外，高精度地圖所含有的道路交通信息元素更豐富和細(xì)致。

　　普通的導(dǎo)航電子地圖會(huì)描繪出道路，而高精度地圖不僅會(huì)描繪道路，更會(huì)描繪出一條道路上有多少條車道，會(huì)真實(shí)地反映出道路的實(shí)際樣式。比如真實(shí)道路在某些地方變寬了，那么高精度地圖中的道路數(shù)據(jù)也是變寬了，而某些地方因?yàn)閰R合了而變窄了，高精度地圖也是一樣。

　　另外，每條車道和車道之間的車道線，是虛線，實(shí)線還是雙黃線，線的顏色，道路的隔離帶，隔離帶的材質(zhì)甚至道路上的箭頭、文字的內(nèi)容，所在位置都會(huì)有描述。

　　目前，高精度地圖的生產(chǎn)通常分為外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理兩大部分。其中，外業(yè)采集使用的硬件設(shè)備主要是移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)。

　　泰伯網(wǎng)：據(jù)了解，近兩年隨著自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的發(fā)展，激光雷達(dá)也越來越受到關(guān)注。很多一線公司都在這一技術(shù)上投入了大量的資金和人力。那么，與以往的攝影測量與遙感技術(shù)相比，移動(dòng)激光掃描技術(shù)具有哪些特點(diǎn)?目前的發(fā)展情況如何?

　　林祥國：移動(dòng)激光掃描是指在機(jī)動(dòng)車上裝配全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)或者視頻設(shè)備、并使各個(gè)設(shè)備同步，在車輛的行進(jìn)中，采集道路及道路兩旁地物和地面的空間位置、激光點(diǎn)云或影像數(shù)據(jù)。

　　相對于以往的攝影測量與遙感技術(shù)，移動(dòng)激光掃描技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①通過硬件設(shè)備的同步，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接具有地理三維坐標(biāo)，避免了地面激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接;同時(shí)影像和激光點(diǎn)云直接配準(zhǔn)，便于兩者的融合;②從街道視覺獲取數(shù)據(jù)，可以獲取其他星載、機(jī)載系統(tǒng)無法或者很難獲取的數(shù)據(jù)，如建筑物立面、交通標(biāo)志;③激光點(diǎn)云直接包含三維信息，克服了陰影、遮蔽等因素對二維影像的負(fù)面影響;④由于掃描位置距離目標(biāo)近，移動(dòng)激光掃描獲取的點(diǎn)云密度顯著的高于機(jī)載和星載平臺獲取的密度，絕對精度也由于光線傳播距離短而優(yōu)于機(jī)載和星載平臺的精度;⑤運(yùn)行方式靈活，可以放置在多種類型的移動(dòng)平臺(如三輪車、火車、船只)上，避免了機(jī)載技術(shù)對天氣和飛行管制的依賴。

　　鑒于上述優(yōu)勢，移動(dòng)激光掃描技術(shù)得到了廣泛的重視。從上個(gè)世紀(jì)90年代起，美國Berkeley大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、荷蘭的歐洲聯(lián)合研究中心、英國諾丁漢大學(xué)、日本東京大學(xué)柴琦研究所都開展的相應(yīng)的硬件系統(tǒng)研發(fā)工作。

　　國內(nèi)，武漢大學(xué)、首都師范大學(xué)、中國測繪科學(xué)研究院、北京航空航天大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、吉林大學(xué)、山東科技大學(xué)、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、諸多生產(chǎn)電子導(dǎo)航地圖或研發(fā)自動(dòng)駕駛的商業(yè)公司等也開展了相關(guān)系統(tǒng)研制。

　　目前，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了一系列商業(yè)化的系統(tǒng)，如：加拿大Optech公司的LYNX、加拿大Applanix公司的LandMark、德國3DLaserMapping公司的StreetMapper、立得空間信息技術(shù)股份有限公司的LD2000、四維遠(yuǎn)見的SSW、征圖三維(北京)激光技術(shù)有限公司SZT-R1400、上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司MS-900等系統(tǒng)。

　　泰伯網(wǎng)：此前你提到了高精度地圖的生產(chǎn)分為外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理兩大部分，我們剛才已經(jīng)談了外業(yè)采集，那么內(nèi)業(yè)處理包括哪些內(nèi)容?

　　林祥國：內(nèi)業(yè)處理是指對移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)事后編輯處理形成各種有用的專題信息，又被稱為后處理。

　　內(nèi)業(yè)處理進(jìn)一步包括自動(dòng)化處理、人工驗(yàn)證編輯兩個(gè)部分。自動(dòng)化處理是指由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)識別。簡單的說，就是把行車軌跡、點(diǎn)云、圖像等數(shù)據(jù)疊加到一起，然后進(jìn)行道路標(biāo)線、路沿、路牌、交通標(biāo)志等道路元素的自動(dòng)識別。

　　另外，由于自動(dòng)化處理不可能做到百分之百的準(zhǔn)確，所以得再進(jìn)行后續(xù)的人工驗(yàn)證和編輯。操作員把自動(dòng)處理之后的高精度地圖數(shù)據(jù)和對應(yīng)位置的圖像、點(diǎn)云信息作比對，找出錯(cuò)誤的地方并進(jìn)行更正。比如，如果系統(tǒng)把一個(gè)限速牌錯(cuò)誤識別成了90km/h，而實(shí)際是60km/h，這時(shí)需要進(jìn)行人工修正。

　　目前，移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)自帶的軟件和高精度地圖生產(chǎn)廠商開發(fā)的軟件均具有良好的數(shù)據(jù)可視化和人機(jī)交互功能，可以方便的進(jìn)行人工驗(yàn)證編輯。

　　泰伯網(wǎng)：如何理解高精度地圖生產(chǎn)過程中遇到難點(diǎn)和痛點(diǎn)?

　　林祥國：迄今為止，自動(dòng)化、智能化點(diǎn)云處理和信息提取，尤其是點(diǎn)云分類和目標(biāo)識別，又是高精度地圖生產(chǎn)的難點(diǎn)和瓶頸，主要表現(xiàn)為下述三點(diǎn)。

　　首先，商業(yè)化的點(diǎn)云處理軟件一般是面向機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的，對地面、植被、建筑物等少數(shù)類別的區(qū)分能力較好，但對車載激光雷達(dá)點(diǎn)云的適用性有限，主要是由于車載激光雷達(dá)點(diǎn)云的密度更高、地形地物類別更豐富、數(shù)據(jù)的復(fù)雜度更高。

　　第二，多數(shù)的車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法和算法仍然停留在科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用階段，目前鮮見商用的車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。

　　第三，開源的點(diǎn)云處理軟件或者庫存在需要較多的參數(shù)輸入、大量的訓(xùn)練樣本、處理效率不高、單次處理的數(shù)據(jù)量小、內(nèi)存耗費(fèi)大等問題。

  (1)車載激光雷達(dá)點(diǎn)云

(2)多尺度點(diǎn)云分割效果

　　

(3)圖(2)局部透視圖

(4)點(diǎn)云分類效果

　　圖1 車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分割及分類效果圖

　　泰伯網(wǎng)：林博士，據(jù)了解你所研發(fā)的這款軟件在此前的路測環(huán)節(jié)取得了不錯(cuò)的成績，能否為我們介紹一下軟件研發(fā)的背景和功能設(shè)計(jì)?

　　林祥國：點(diǎn)云催化劑(Point Cloud Catalyst，PCC)是在國家自然基金委資助項(xiàng)目支持下，經(jīng)歷10年科研攻關(guān)，由我自主研發(fā)的一款點(diǎn)云智能處理商業(yè)軟件，可用于車載、機(jī)載、地面激光雷達(dá)點(diǎn)云和影像密集匹配點(diǎn)云的分割、分類、目標(biāo)識別和矢量化，尤其適用于面向高精度地圖高效生產(chǎn)的車載激光雷達(dá)點(diǎn)云智能處理。

　　PCC軟件采用了全新的融合多基元(點(diǎn)、線、面)的點(diǎn)云分析理論與方法，克服了既有商業(yè)軟件采用單一點(diǎn)基元無法全面顧及地理現(xiàn)象和實(shí)體多尺度特征的局限性。該款軟件包含了點(diǎn)云多尺度分割、濾波、道路交通標(biāo)記線提取、路肩提取、桿狀物提取、隔離路障提取、廣告牌提取、交通信號燈橫桿提取、天橋提取、建筑物立面提取、交通指示牌提取、車輛提取、垃圾桶提取、電力導(dǎo)線提取、樹葉識別、林木參數(shù)半自動(dòng)提取、粗差檢測等17個(gè)功能模塊，且每個(gè)提取模塊可以同時(shí)完成類別區(qū)分、目標(biāo)識別、矢量化等三種工作。

　　此外，每個(gè)模塊不需要、或至多需要1-2個(gè)參數(shù)，且通常情況下使用參數(shù)缺省值也能取得較好的點(diǎn)云處理效果，克服了目前既有軟件和相關(guān)算法需要大量人工干預(yù)和參數(shù)設(shè)置的弊端。

　　(1)車載激光雷達(dá)點(diǎn)云示意圖

　　(2)點(diǎn)云分類效果

　　圖2 車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及分類效果圖

　　目前，裝配了該軟件的單臺計(jì)算機(jī)工作站可以在24小時(shí)內(nèi)完成500億個(gè)點(diǎn)的處理和信息提取任務(wù)，且在無需訓(xùn)練樣本的情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云自動(dòng)分類和目標(biāo)識別精度均在90%以上，PCC軟件具有高自動(dòng)化、高智能、高效、高精度的優(yōu)點(diǎn)。

　　另外，PCC軟件還具有支持批量處理、處理的單個(gè)點(diǎn)云文件的大小不受算法的限制、僅受內(nèi)存大小的限制的特點(diǎn)。該軟件分類和目標(biāo)識別結(jié)果均保存為las格式的點(diǎn)云標(biāo)準(zhǔn)文件、矢量化的結(jié)果保存為shp、或者dwg格式的矢量格式文件，便于與任何其他第三方點(diǎn)云處理、可視化和編輯軟件的無縫銜接。比如，采用一臺配備了64G內(nèi)存、64位操作系統(tǒng)的Dell Precision T7610工作站，處理武漢市整個(gè)二環(huán)路的140G、las格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用文件級并行處理方式，共耗時(shí)22.1小時(shí)，提取了14個(gè)大類、且整體分類精度達(dá)到91.6%。

　　(1)車載激光雷達(dá)點(diǎn)云

　　(2)圖(1)局部區(qū)域全自動(dòng)的路面(黃色)、路沿(紅色)、隔離路障(紅色)、車道標(biāo)記線(蘭色)檢測結(jié)果

　　(3)點(diǎn)云分類效果

　　(4)自動(dòng)提取的車道標(biāo)記線矢量化效果

　　(4)圖(4)的局部透視圖

　　圖3車載激光雷達(dá)點(diǎn)云、道路相關(guān)設(shè)施識別及分類效果

　　泰伯網(wǎng)：目前該款軟件的市場定價(jià)是多少?下一步安排是什么?

　　林祥國：目前的市場定價(jià)是單機(jī)版每套50萬，已經(jīng)有部分企業(yè)在洽談中。部分企業(yè)索取了試用版本進(jìn)行測試，該款軟件還有一大優(yōu)勢在于可以接受定制，根據(jù)企業(yè)的需求增減模板。

　　接下來，我會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化和升級PCC軟件，利用高性能計(jì)算技術(shù)進(jìn)一步提高軟件的計(jì)算效率，利用深度學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)理論和方法進(jìn)一步提高軟件的智能化水平，融合影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步提高軟件的識別精度，還將在近期內(nèi)推出電力線路安全巡檢模塊、建筑物三維重建模塊、地形地物變化檢測模塊等。

　　【軟件研發(fā)者介紹】

　　林祥國博士：武漢大學(xué)博士，2010年-2012年在中國測繪科學(xué)研究院博士后流動(dòng)站工作。目前，擔(dān)任副研究員，碩士生導(dǎo)師，國際攝影測量與遙感學(xué)會(huì)(ISPRS)第三委員會(huì)(2016-2020年)第六工作組(遙感數(shù)據(jù)融合)秘書，影像與數(shù)據(jù)融合(International Journal of Image and Data Fusion)編委、Remote Sensing客座編輯。曾獲得國家科學(xué)技術(shù)部2016年度遙感青年科技人才創(chuàng)新資助計(jì)劃。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，先后主持中國博士后基金、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等10余項(xiàng)國家級和省部級課題。目前，已發(fā)表論文70余篇，其中SCI檢索20余篇、EI檢索論文30余篇;取得發(fā)明專利5項(xiàng)，申請發(fā)明專利4項(xiàng)。