傾斜攝影和激光掃描技術(shù)在城市三維建模中的融合應(yīng)用研究

張平

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

傾斜攝影測量技術(shù)是利用傾斜攝影裝置同時快速獲取傾斜三維影像和正射影像，再利用計算機(jī)自動圖形處理技術(shù)進(jìn)行自動空三處理，經(jīng)過影像匹配和表面紋理映射等技術(shù)手段，最大限度地真實還原地表的真實景物。傾斜攝影技術(shù)可以實現(xiàn)多角度影像采集，保證高效率、增加精確度、準(zhǔn)確地理定位，實現(xiàn)三維實景重建，已成為國內(nèi)外航測的主要技術(shù)途徑。但是基于傾斜攝影技術(shù)獲取數(shù)據(jù)資料也有一些尚未克服的缺點，如：傾斜影像自動匹配難度大、為保證高精度需大量布設(shè)外業(yè)像控點、建筑底部由于遮擋等因素精度較差等。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術(shù)[1]，它可以在多種惡劣觀測條件下進(jìn)行外業(yè)掃描，大面積快速獲取目標(biāo)物體的表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，形成海量三維激光點云，再利用這些高密度的點云生成三角網(wǎng)，建立目標(biāo)物體的數(shù)字表面模型[2]，同時可以通過激光掃描儀內(nèi)置或外接的同軸數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像將點云賦上真彩色，則建立的數(shù)字表面模型就可以實景呈現(xiàn)掃描物體的真實場景。三維激光掃描由于其使用簡單、掃描快速，操作安全且精度高等技術(shù)優(yōu)勢，可以極大地提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而該技術(shù)在應(yīng)用上也仍然存在著一些不足之處，如高層建筑物與構(gòu)筑物頂部的掃描盲區(qū)、相機(jī)拍攝視角不理想、后處理軟件處理效率偏低等。

針對三維激光掃描和傾斜攝影測量技術(shù)各自的優(yōu)缺點，本文將兩種技術(shù)手段結(jié)合起來，互相彌補(bǔ)不足，研究傾斜攝影測量數(shù)據(jù)和三維激光點云數(shù)據(jù)的融合方法，并將其用于城市高層建筑的三維建模中。

2 融合建模流程設(shè)計

三維激光掃描在地面上以一定的角度掃描，直接獲取地表物體的表面三維坐標(biāo)，形成激光點云數(shù)據(jù)。

傾斜攝影測量以無人機(jī)平臺搭載數(shù)碼相機(jī)，在空中多角度對地表對象進(jìn)行拍攝獲取影像數(shù)據(jù)，然后基于多視影像的地表同名點坐標(biāo)進(jìn)行密集匹配，快速獲取地表三維數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)格式一般為JPG等圖片格式，通過相應(yīng)的軟件平臺進(jìn)行空三加密和影像密集匹配算法，自動匹配出所有影像的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云。

由于密集匹配過程中產(chǎn)生了大量的點云數(shù)據(jù)，這就為三維激光點云與傾斜攝影密集點云的融合提供了可操作性。地面三維激光點云的高精度可以彌補(bǔ)傾斜攝影近地面區(qū)域精度偏低的缺陷，而空中無人機(jī)傾斜攝影則彌補(bǔ)了三維激光頂部掃描盲區(qū)和影像獲取視角不夠廣的缺陷，將兩種方法的點云進(jìn)行融合，再進(jìn)行三維建模，就可以實現(xiàn)三維模型整體上的高精度，解決傾斜攝影三維建模局部拉花、底部效應(yīng)等問題。同時三維激光掃描可以獲取地面特征點的三維坐標(biāo)，可以免除傾斜攝影測量外業(yè)布設(shè)像控點的工作，大大提高作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)“辦公室測繪”。

三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了空中無人機(jī)航空影像與地面三維激光點云的“空地聯(lián)合”，全方位無死角獲取地表物體的完整表面坐標(biāo)信息，實現(xiàn)高精度的三維建模，主要的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影及激光掃描技術(shù)融合的實景三維重建作業(yè)流程

3 融合建模工程實施

3.1 地面激光掃描及數(shù)據(jù)處理

地面三維激光掃描進(jìn)行控制測量獲取真實地理坐標(biāo)一般有兩種方式：一是將部分測站設(shè)置在已知控制點上，對中整平然后再進(jìn)行掃描；二是在掃描的過程中通過精細(xì)掃描標(biāo)靶作為點云內(nèi)業(yè)處理的控制點[3]。而獲取標(biāo)靶坐標(biāo)的一般也是兩種方法：將標(biāo)靶架設(shè)在已知控制點上；在已知點上架設(shè)全站儀，用全站儀采集標(biāo)靶坐標(biāo)。而對于可外接GNSS設(shè)備的三維激光掃描儀，則可通過外接雙頻GNSS接收機(jī)直接獲取測站點坐標(biāo)。

在外業(yè)掃描上，對于無慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維激光掃描儀在外業(yè)進(jìn)行作業(yè)時，需保證兩個測站之間有比較明顯的共同面，以保證內(nèi)業(yè)處理時，不同測站的點云可以通過公共面進(jìn)行拼接。本項目采用的Riegl-VZ400i是一款內(nèi)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維激光掃描儀，在搬站的過程中可以記錄儀器的姿態(tài)位置，并在外業(yè)掃描的過程中自動進(jìn)行拼接，所以只需保證掃描儀各站數(shù)據(jù)能完整采集到目標(biāo)地物點即可，這在一定程度上可以減少測站的數(shù)量、提高外業(yè)效率。然后結(jié)合項目需求，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣頻率、點云密度，即可一鍵開始掃描。

本項目位于福建省福州市高新區(qū)海西高新科技園區(qū)內(nèi)的高新苑小區(qū)，測區(qū)大小約3萬m2，7棟高層居民樓，最高建筑高度達(dá) 100 m。外業(yè)共掃描28站，總計掃描用時2個小時，外業(yè)掃描完成即完成點云配準(zhǔn)拼接。掃描測站布置圖如圖2所示。

圖2 掃描測站位置略圖

本項目使用的脈沖式掃描儀Riegl-VZ400i具有多重回波技術(shù)，可以“穿透植被”進(jìn)行測量，測程達(dá)到 800 m，激光發(fā)射頻率120萬點/秒，測量點位精度高達(dá) 5 mm@100 m，可以實現(xiàn)高速度、高精度的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，同時內(nèi)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)外業(yè)一邊掃描一邊自動拼接，對于外業(yè)掃描獲取的數(shù)據(jù)，若外業(yè)有部分測站自動拼接失敗，則內(nèi)業(yè)需要對拼接失敗的測站手動進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，拼接完成之后需要對點云進(jìn)行濾波、抽稀處理，通過這一系列處理即得到了最終的點云成果。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影實景三維建模

地面激光掃描數(shù)據(jù)可以高精度、高精細(xì)重建測區(qū)底部數(shù)字表面模型(DSM)，而測區(qū)高處特別是建筑頂部則是其掃描盲區(qū)，且地面激光掃面數(shù)據(jù)相對紋理失真較為嚴(yán)重。無人機(jī)傾斜攝影為從空中多角度對地俯拍(如圖3所示)，其獲取的多視影像紋理具有高真實感、高分辨率等特性[4]，可以有效彌補(bǔ)地面激光掃描技術(shù)的上述不足之處。為實現(xiàn)二者的最佳融合，無人機(jī)傾斜攝影實景三維建模各個階段需嚴(yán)格按預(yù)設(shè)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)實施，包括航線設(shè)計、像控布設(shè)、多視影像空三加密及密集匹配等方面。

(1)航線設(shè)計要求

①根據(jù)測區(qū)建筑主體朝向及日照方向布設(shè)航線，航線布設(shè)為“井”字型航線，確保航線方向盡量保持與測區(qū)橫線及縱線方向一致；航線布設(shè)需考慮地形環(huán)境因素的影響，保證航線及延長方向的地形高度不影響飛行安全高度。

②為確保建模效果及精度，要求所獲取各角度多視影像地面分辨率優(yōu)于 2 cm，航線敷設(shè)航向重疊度不低于80%，旁向重疊度不低于70%。

③為保證能夠攝區(qū)的完整性及紋理清晰度，要求航線航向覆蓋超出測區(qū)邊界8條～10條基線，旁向覆蓋超出測區(qū)邊界3條～5條航線；航線相對航高需至少比攝區(qū)至高點高出 50 m。

圖3無人機(jī)傾斜攝影多視影像圖

(2)像控點布設(shè)要求：

①測區(qū)范圍內(nèi)邊角點要求布設(shè)像控點，其余區(qū)域要求控制點均勻分布，點與點之間的距離在 250 m～300 m之間。

②充分利用現(xiàn)場地形、地物條件進(jìn)行布點，將控制點布設(shè)在清晰的明顯地物，交角良好的線狀地物的交點、明顯地物的折角頂點，如斑馬線直角點、道路拐點及顏色紋理變化分界點處等。

③像控點要求盡量布設(shè)在地表，特殊情況下，也可將點布設(shè)在低矮構(gòu)筑物的拐角處。

像片控制點布設(shè)如圖4所示。

圖4 區(qū)域像控點布設(shè)圖

本項目中，由于結(jié)合了三維激光掃描技術(shù)，可以基于激光點云內(nèi)業(yè)布設(shè)像控點，免除了外業(yè)像控點的布設(shè)，基于激光點云進(jìn)行像控點布設(shè)的方法如圖5、圖6所示。

圖5 像控點點云坐標(biāo)采集

圖6 像控點影像采集

(3)密集匹配

聯(lián)合傾斜攝影影像數(shù)據(jù)及外業(yè)像控測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多視影像空三加密和密集匹配?？杖用芾肅ontextCapture平臺加載攝區(qū)影像，按照布控要求，添加一定數(shù)量的控制點，然后通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，一張像片組成的一束光線作為一個平差單元[5]，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整體區(qū)域最佳地加入到控制點坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的物方位置關(guān)系。通過高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云[6]，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。

3.3 三維激光點云數(shù)據(jù)和密集點云數(shù)據(jù)的融合

通過密集匹配從航拍影像中抽取了大量的密集點云，這些點云要與三維激光掃描儀掃描獲取的激光點云進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，如圖7、圖8所示。數(shù)據(jù)融合前要先保證兩種點云數(shù)據(jù)格式的一致性，一般轉(zhuǎn)換為點云通用格式*.las。由于三維激光點云的精度遠(yuǎn)高于傾斜攝影測量，因此將兩種點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合的過程中，以三維激光點云為基準(zhǔn)，使用迭代最鄰近點配準(zhǔn)法，也即ICP算法和人工配準(zhǔn)相結(jié)合的方法，將傾斜攝影密集點云與三維激光點云進(jìn)行配準(zhǔn)，從而得到高精度的融合點云模型。

圖7 點云融合效果圖

3.4 模型建立及結(jié)果分析

利用數(shù)據(jù)融合得到的融合點云模型，并由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，再由TIN構(gòu)成白模，軟件從大量傾斜影像中計算對應(yīng)的紋理，并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上，最終形成真實三維場景[7]。

建立的白模及進(jìn)行紋理映射后的真三維實景模型如圖8、圖9所示。

圖8 TIN白模圖

圖9 紋理映射后真三維實景圖

為了評價融合三維激光點云后建立的三維模型與單純無人機(jī)傾斜攝影測量建立的三維模型效果，分別建立了兩套三維模型，兩套模型的效果如圖10和圖11所示。對比兩套模型的表面可以直觀地看出，融合了激光點云之后建立的三維模型，墻面更加平整，底部效應(yīng)得到改善、拉花現(xiàn)象明顯減弱，模型效果得到極大優(yōu)化[8]。

圖10 無人機(jī)傾斜攝影三維建模成果

圖11 融合激光點云后三維建模成果

4 結(jié)論和展望

本文將傾斜攝影測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于城市建筑的三維建模。實驗表明，三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的融合，有效改善了傾斜攝影測量三維模型的建模效果，建模精度更加均勻可靠，同時還免除了傾斜攝影測量中外業(yè)像控點的布設(shè)，提高了外業(yè)效率，降低外業(yè)工作人員勞動強(qiáng)度。然而，兩者的結(jié)合也還有一些問題有待解決，如在改進(jìn)后的模型中模型效果和精度得到改善，但是卻出現(xiàn)了個別位置紋理失真的問題，地面激光掃描儀仍需要搬站，相比車載激光掃描儀工作量仍然偏大。車載移動測量與傾斜攝影測量技術(shù)的結(jié)合也是接下來需要研究的一個方向。