移動(dòng)測量在超精細(xì)三維場景制作中的應(yīng)用研究

楊銘

(上海市測繪院，上海 200063)

移動(dòng)測量在超精細(xì)三維場景制作中的應(yīng)用研究

楊銘*

(上海市測繪院，上海 200063)

近年來，隨著城市信息化建設(shè)的不斷深入，超精細(xì)三維場景的應(yīng)用越來越廣泛。本文首先從需求出發(fā)，分析了超精細(xì)三維場景在城市信息化建設(shè)中的重要性；然后針對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方法的不足，重點(diǎn)研究了包括無人機(jī)傾斜攝影測量、移動(dòng)掃描測量、動(dòng)態(tài)紋理采集、手持三維掃描測量在內(nèi)的多種新型移動(dòng)測量技術(shù)在超精細(xì)三維場景制作中的應(yīng)用情況。

超精細(xì)三維場景；無人機(jī)傾斜攝影測量；移動(dòng)掃描測量；動(dòng)態(tài)紋理采集；手持三維掃描測量

1 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步，城市的信息化已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。近年來智慧城市概念的提出，正是這種趨勢(shì)的體現(xiàn)。構(gòu)建智慧城市已逐漸成為城市信息化建設(shè)的目標(biāo)。三維場景模型能夠真實(shí)、生動(dòng)地表達(dá)三維空間信息，因此成為構(gòu)建智慧城市的研究重點(diǎn)。根據(jù)制作的精細(xì)程度，三維場景模型可分為標(biāo)準(zhǔn)模型、精細(xì)模型和超精細(xì)模型三類。其中超精細(xì)三維場景不僅涵蓋十分精細(xì)的建筑模型和地面模型，還加入了種類豐富齊全的樹木、小品等要素，特別適合重點(diǎn)區(qū)域的瀏覽展示、虛擬現(xiàn)實(shí)、規(guī)劃管理、檔案保存等應(yīng)用。

傳統(tǒng)的三維場景模型一般是通過地形圖或者竣工資料獲得建筑、道路的平面、高程信息，然后用全站儀結(jié)合鋼卷尺獲得細(xì)部結(jié)構(gòu)的位置數(shù)據(jù)。此類工作模式雖然能得到最終的模型成果，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、建模精度差、表達(dá)效果不佳等問題。當(dāng)遇到表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象時(shí)，這些問題顯得有尤為突出。

近年來，多種新興移動(dòng)測量技術(shù)發(fā)展迅速，相比于傳統(tǒng)方法，其在保證成果質(zhì)量的基礎(chǔ)上，作業(yè)效率顯著提升。因此，本文重點(diǎn)研究包括無人機(jī)傾斜攝影測量、移動(dòng)掃描測量、動(dòng)態(tài)紋理采集、手持三維掃描測量在內(nèi)的多種新型移動(dòng)測量技術(shù)，并通過具體案例，探索其在超精細(xì)三維場景制作中的應(yīng)用情況。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量

無人機(jī)傾斜攝影測量使用低空無人機(jī)加多鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，然后利用自動(dòng)建模技術(shù)，生成三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)。

2.1低空無人機(jī)

目前，實(shí)施傾斜攝影測量的飛行平臺(tái)主要分為有人機(jī)與無人機(jī)，其中無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、靈活、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以無人機(jī)作為航空攝影平臺(tái)能夠快速高效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像，越來越受到研究者和生產(chǎn)者的青睞，大大地?cái)U(kuò)大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群，具有廣闊的應(yīng)用前景。

低空無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛行器、地面站、數(shù)據(jù)鏈路和飛行員。其中，地面站負(fù)責(zé)航線規(guī)劃、飛機(jī)設(shè)置，數(shù)據(jù)鏈路負(fù)責(zé)地面站與無人機(jī)之間的通信，飛行員由無人機(jī)駕駛員、地面站操作人員和輔助人員組成。

根據(jù)平臺(tái)構(gòu)型的不同，可分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。其中，固定翼飛機(jī)飛行速度快，作業(yè)效率高；旋翼無人機(jī)，其便于控制，平臺(tái)穩(wěn)定性好。對(duì)于城市區(qū)域的大場景三維模型，為保證飛行安全，一般以旋翼無人機(jī)為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。

2.2傾斜攝影測量

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的移動(dòng)測量技術(shù)，改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性。其使用多臺(tái)傳感器從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，通過多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正等關(guān)鍵技術(shù)，真實(shí)地反映地面的客觀情況，滿足人們對(duì)三維信息的需求。目前，傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大場景三維模型采集制作的生產(chǎn)實(shí)踐中。

其技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下四方面：

(1)成果具有照片級(jí)的表達(dá)效果，能反映真實(shí)情況；

(2)含有坐標(biāo)信息，可量測；

(3)能生成多種數(shù)據(jù)成果，性價(jià)比高；

(4)數(shù)據(jù)采集與處理的效率高。

2.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是無人機(jī)低空傾斜攝影測量的核心工作，它包括影像的預(yù)處理、相機(jī)高精度檢測、影像匹配、自動(dòng)空中三角測量、DSM/DEM的自動(dòng)提取、DOM的生成與無縫拼接等技術(shù)。

目前使用較多的商業(yè)軟件有Bentley公司的ContextCapture軟件，其基本作業(yè)流程如圖1所示：

圖1 ContextCapture軟件基本作業(yè)流程

2.4成果展示

無人機(jī)傾斜攝影測量的成果形式為大場景三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，其由大量的三角面構(gòu)成，并附有真實(shí)的紋理信息，能逼真還原現(xiàn)場實(shí)際情況，如圖2、圖3所示。

圖2 上海老城廂福佑路地塊實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)

圖3 上海迪士尼樂園實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)

3 移動(dòng)掃描測量

移動(dòng)掃描測量設(shè)備作為目前測繪地理信息行業(yè)頂尖的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，集多種采集手段為一體，可為超精細(xì)三維場景構(gòu)建提供準(zhǔn)確豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)。與固定測站掃描相比，移動(dòng)掃描測量最大的優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)全自動(dòng)拼接，數(shù)據(jù)處理效率高。根據(jù)定位原理不同，可分為基于衛(wèi)星導(dǎo)航和基于SLAM技術(shù)兩種移動(dòng)掃描測量設(shè)備。

3.1基于衛(wèi)星導(dǎo)航的移動(dòng)掃描測量

此類移動(dòng)掃描測量系統(tǒng)將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、立體攝影測量系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、數(shù)字視頻系統(tǒng)、屬性采集和語音輸入等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備集成在同一平臺(tái)上，可在快速移動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)采集周邊地物的地理空間位置及屬性信息。

移動(dòng)掃描測量技術(shù)具有速度快、信息豐富、精度高、非接觸式的特點(diǎn)，所獲得的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)具有廣泛的應(yīng)用性，如圖4所示。

圖4 基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的移動(dòng)掃描測量系統(tǒng)(青島秀山)及其工作原理

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的移動(dòng)掃描測量技術(shù)可用于室外開闊區(qū)域的360°三維街景采集與精細(xì)模型制作。在上海國際旅游度假區(qū)項(xiàng)目中，該技術(shù)成功應(yīng)用于超精細(xì)地面制作，高程精度普遍優(yōu)于 10 cm，重點(diǎn)區(qū)域優(yōu)于 5 cm。

3.2基于SLAM技術(shù)的移動(dòng)掃描測量

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的移動(dòng)掃描測量系統(tǒng)雖然精度較高，但需要獲取連續(xù)穩(wěn)定的GNSS信號(hào)。當(dāng)周邊遮擋嚴(yán)重，GNSS信號(hào)接收存在困難時(shí)，此類設(shè)備的精度會(huì)明顯下降，甚至無法采集數(shù)據(jù)。此時(shí)，可以使用SLAM(同步定位與制圖)技術(shù)進(jìn)行定位和姿態(tài)估計(jì)。

利用SLAM技術(shù)進(jìn)行定位的移動(dòng)掃描測量系統(tǒng)是在移動(dòng)過程中利用定位激光掃描儀獲取點(diǎn)云，借助編碼器采集里程信息，以便于在后續(xù)的數(shù)據(jù)融合過程中使用SLAM算法解算高精度的軌跡。其中，每個(gè)軌跡點(diǎn)包含采集的具體時(shí)間、全局坐標(biāo)系下的位置及姿態(tài)信息，然后根據(jù)載體與激光掃描儀、全景相機(jī)之間的空間關(guān)系解算出在全局坐標(biāo)系下激光點(diǎn)云坐標(biāo)及拍照時(shí)刻的位置和關(guān)系，從而完成空間三維實(shí)景信息的獲取。

目前，在算法上，SLAM分為2D SLAM和3D SLAM兩種類型。其中2D SLAM無法適應(yīng)高度上的快速變化，需要工作場景處在一個(gè)相對(duì)平整的環(huán)境下，一般以手推車為載體；而基于3D SLAM的測量設(shè)備可以在數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)需要上上下下的移動(dòng)，并且通常設(shè)計(jì)成背包樣式，人員能經(jīng)過的地方都能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)工作環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng)，如圖5所示：

圖5 基于SLAM技術(shù)的背包型移動(dòng)測量系統(tǒng)(歐思徠智能)

這是一款基于SLAM技術(shù)的背包式移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)。該設(shè)備配有全景相機(jī)，兩個(gè)激光雷達(dá)，其中水平激光雷達(dá)用于定位，傾斜激光雷達(dá)用于采集數(shù)據(jù)，外業(yè)時(shí)可在平板電腦上實(shí)時(shí)看到數(shù)據(jù)采集的情況。

這種背包式掃描儀不需要衛(wèi)星信號(hào)，數(shù)據(jù)采集方便，特別適合于衛(wèi)星信號(hào)較弱區(qū)域(如室內(nèi)或狹窄里弄)的全景數(shù)據(jù)采集與精細(xì)建模，已成功應(yīng)用于上海老城廂地區(qū)歷史風(fēng)貌保護(hù)項(xiàng)目。

3.3成果展示

圖6 上海國際旅游度假區(qū)超精細(xì)地面模型數(shù)據(jù)

圖7 上海老城廂方浜路三維場景模型數(shù)據(jù)

4 動(dòng)態(tài)紋理采集

按照目前常規(guī)的模型制作方式，要想使三維場景真實(shí)、生動(dòng)的反映現(xiàn)實(shí)世界，必須采集高質(zhì)量的紋理數(shù)據(jù)(分辨率高、色彩還原性好)。傳統(tǒng)的紋理采集方式主要以相機(jī)拍照為主。當(dāng)遇到高復(fù)雜度、高遮蓋度地區(qū)(如上海迪士尼樂園)時(shí)，傳統(tǒng)方法存在諸多問題。對(duì)此，本文從實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目出發(fā)，提出了一種利用運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)紋理采集工作模型。如圖8所示是兩種作業(yè)方式的優(yōu)劣對(duì)比情況：

圖8 兩種紋理采集方式的優(yōu)劣對(duì)比情況

運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)不同于普通相機(jī)，其具有較高的穩(wěn)定性和幀速率，既能保證采集的紋理清晰不模糊，又能保證外業(yè)采集的效率。下圖是一款運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)，其由高清運(yùn)動(dòng)相機(jī)，無刷電機(jī)云臺(tái)，操作手柄和移動(dòng)設(shè)備支架組成。其運(yùn)動(dòng)相機(jī)最高可以采集分辨率達(dá)到4K的超清晰影像。運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)與Z軸穩(wěn)定器配合使用就能實(shí)現(xiàn)三軸增穩(wěn)，確保紋理采集穩(wěn)定、清晰、無抖動(dòng)，如圖9所示。

圖9 運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)(大疆)

通過大量的對(duì)比試驗(yàn)，并結(jié)合在上海迪士尼、老城廂等項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用情況，可以得出以下結(jié)論——相比于傳統(tǒng)靜態(tài)紋理采集方法，對(duì)于復(fù)雜區(qū)域的連續(xù)、超精細(xì)紋理采集，基于運(yùn)動(dòng)云臺(tái)相機(jī)的動(dòng)態(tài)紋理采集方法有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 手持三維掃描測量

前面介紹的移動(dòng)測量技術(shù)雖然都十分方便快捷，但在建模精度上還有一定的局限性(基本都處于厘米級(jí))，對(duì)于表面結(jié)構(gòu)超級(jí)復(fù)雜的雕塑、浮雕、建筑裝飾等對(duì)象，可以使用先進(jìn)的手持式三維掃描系統(tǒng)對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)的位置尺寸和紋理信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集。

手持式三維掃描系統(tǒng)主要包括信息輸入、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理輸出設(shè)備。信息輸入主要由白光(或激光)掃描系統(tǒng)、兩個(gè)(或多個(gè))CCD攝像機(jī)及照明設(shè)備組成。利用兩個(gè)攝像機(jī)的圖像平面，和被測物體之間構(gòu)成三角形，根據(jù)前方交會(huì)定點(diǎn)原理進(jìn)行測量。已知兩攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，即可測量兩攝像機(jī)公共視場內(nèi)物體空間特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

手持式三維掃描系統(tǒng)與常規(guī)測量設(shè)備相比，精度較高，普遍優(yōu)于 1 mm，完全滿足一般測繪領(lǐng)域的精度需求。

圖10 手持式三維掃描系統(tǒng)(CREAFORM形創(chuàng))

圖10是一款具有彩色掃描功能的手持式三維掃描系統(tǒng)，其具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)測量速度快：一般物體將在 5 min或更短時(shí)間內(nèi)完成掃描；

(2)專業(yè)級(jí)測量：高達(dá) 0.1 mm的精度以及 0.5 mm的分辨率；

(3)混合定位：使用部件的幾何形狀及顏色；

(4)用戶友好：無須專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，幾分鐘內(nèi)即可啟動(dòng)并運(yùn)行；

(5)彩色掃描：允許嚴(yán)密地同步捕獲高品質(zhì)幾何形狀和顏色；

(6)實(shí)時(shí)可視化：可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到自己正在執(zhí)行的操作以及還需要執(zhí)行哪些操作。

目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于上海老城廂地區(qū)歷史風(fēng)貌保護(hù)項(xiàng)目，圖11是部分成果展示：

圖11 上海豫園城隍廟石獅子超精細(xì)建模效果

6 結(jié) 語

城市的發(fā)展越來越快，測繪科技同樣日新月異。本文首先從需求出發(fā)，分析了超精細(xì)三維場景在城市信息化建設(shè)中的重要性；然后針對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方法的不足，重點(diǎn)介紹了多種新興移動(dòng)測量技術(shù)在超精細(xì)三維場景制作中的應(yīng)用情況。隨著城市信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，各方對(duì)超精細(xì)三維場景的需求必然會(huì)越來越大，要求也會(huì)越來越高。在今后的工作中應(yīng)當(dāng)整合多方面的技術(shù)和資源，實(shí)現(xiàn)三個(gè)“一體化”。

首先是室內(nèi)外一體化建模。目前，大多數(shù)的建模都是針對(duì)建筑外表面的，應(yīng)該通過移動(dòng)激光掃描等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外數(shù)據(jù)在同一空間參考下的一體化采集與建模。其次是建筑對(duì)象化建模。應(yīng)借鑒BIM理念，將重要的建筑結(jié)構(gòu)對(duì)象化、模塊化，可用于重要?dú)v史建筑的精細(xì)檔案管理。最后是空地一體化建模。將無人機(jī)傾斜攝影測量與地面三維激光掃描相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空地一體化實(shí)景三維模型的快速構(gòu)建。

在超精細(xì)三維場景制作中，目前能使用的技術(shù)手段有很多，將來肯定會(huì)越來越多。如何將這些技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合，在滿足精度要求的情況下，進(jìn)一步提升效率，并拓展模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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ResearchontheApplicationofMobileMappinginHyperfine3DSceneBuilding

Yang Ming

(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping，Shanghai 200063，China)

With the development of urban informatization construction in recent years，the Application of hyperfine 3D scene is more and more extensive. From the requirement，this paper analyzes the importance of hyperfine 3D scene in urban information construction. Then in view of the shortcomings of the traditional method，this paper focuses on the application of various new mobile mapping technologies in the building of hyperfine 3D scene，such as unmanned aerial vehicle oblique photography，mobile scanning and surveying，dynamic texture acquisition，handheld 3D scanning and surveying.

hyperfine 3D scene；unmanned aerial vehicle oblique photography；mobile scanning and surveying；dynamic texture acquisition；handheld 3D scanning and surveying

1672-8262(2017)05-53-05

P23

B

2017—08—09

楊銘(1987—)，男，碩士，工程師，注冊(cè)測繪師，主要研究三維空間數(shù)據(jù)的采集與制作。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)。