一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模方法研究

□ 常山縣自然資源和規(guī)劃局統(tǒng)一征地辦公室 吳建岳

無人機(jī)傾斜攝影測量是利用多旋翼無人機(jī)到實(shí)地航拍影像，再經(jīng)過軟件自動(dòng)化建模生成實(shí)景三維模型，因此具備很高的真實(shí)性，也能夠測量更廣闊的范圍，但是容易缺失數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是采用非接觸式高速激光測量方式，快速地獲取測量對(duì)象表面幾何特征的重要技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)在文物保護(hù)、國土測繪、建筑BIM模型等許多方面取代了傳統(tǒng)測繪，其數(shù)據(jù)的全面性及精細(xì)度，為許多行業(yè)領(lǐng)域研究發(fā)展提供了新的思路和方法。但是三維激光掃描技術(shù)存在著測量范圍小的缺點(diǎn)。基于此，在本文的研究過程中，將綜合運(yùn)用兩種測量技術(shù)獲取空間數(shù)據(jù)，以此提高測區(qū)三維模型精度。

一、基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模方法

（一）無人機(jī)傾斜攝影

▲ 傾斜攝影流程圖

通過在同一飛行平臺(tái)上搭載5臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的角度采集影像，拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄航高、航速、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，然后對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在一個(gè)時(shí)段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3張相片上被找到，這樣內(nèi)業(yè)人員可以比較輕松地進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進(jìn)行紋理制作，向用戶提供真實(shí)直觀的實(shí)景信息。影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗(yàn)，極大地拓展遙感影像的應(yīng)用范圍。

（二）三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)以來又一新突破的測繪技術(shù)，是以三維激光掃描儀為主體的現(xiàn)代化測繪技術(shù)，由內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、附屬設(shè)備、后處理軟件、電源等組成。三維激光掃描技術(shù)的工作原理可以表述為：激光二極管發(fā)射周期性的激光脈沖，由接收透鏡接收目標(biāo)表面的反射信號(hào)后形成相應(yīng)的接收信號(hào)，利用發(fā)射與接收反射信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算掃描儀的測距S，同時(shí)將掃描儀鏡頭在水平方向和垂直方向上的觀測角度值標(biāo)記為φ和θ，被測點(diǎn)極為P，則被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)為P（x，y，z）的計(jì)算公式為：

XP= Scosφcosθ

yP= Ssinφcosθ

（三）綜合運(yùn)用

通過多旋翼無人機(jī)獲取航空影像，經(jīng)勻光勻色、幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，通過三維建模等關(guān)鍵技術(shù)制作測區(qū)三維傾斜測量模型數(shù)據(jù)，模型具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。使用三維激光掃描儀，將獲取測區(qū)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拼接、濾波、多邊形擬合、孔洞修補(bǔ)，分區(qū)域選擇相片進(jìn)行紋理映射，制作具有實(shí)時(shí)量測功能的真三維模型。然而，三維激光掃描技術(shù)存在對(duì)高密度植被無法穿越、受潮濕環(huán)境影響較大、數(shù)據(jù)處理對(duì)軟硬件要求高等不足，且傾斜攝影產(chǎn)生的三維模型會(huì)產(chǎn)生空洞和失真，水面的三維模型存在大面積空洞和地物模型邊緣平滑等缺陷。因此，針對(duì)任務(wù)及測區(qū)地形地物的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用無人機(jī)傾斜攝影測量和地面三維激光掃描相結(jié)合的方式進(jìn)行，從而克服兩種數(shù)據(jù)采集技術(shù)的缺陷。

二、應(yīng)用案例

（一）測區(qū)概況

該項(xiàng)目位于天目湖山水園。區(qū)域內(nèi)有植被、水系、建筑物、道路、古跡等多種地物，地勢陡峻，植被復(fù)雜。鑒于測區(qū)地形地貌的復(fù)雜性和特殊性，采用常規(guī)測量手段施測難度大，作業(yè)效率低，而無人機(jī)航空攝影測量與三維激光掃描技術(shù)能有效地解決常規(guī)地形測量的不足。該項(xiàng)目采用無人機(jī)對(duì)測區(qū)全范圍進(jìn)行航空攝影并航測成圖，采用三維激光掃描技術(shù)修補(bǔ)測區(qū)空洞，對(duì)測區(qū)進(jìn)行全野外數(shù)字化測圖，同時(shí)也有利于對(duì)成圖精度符合性進(jìn)行檢驗(yàn)。

（二）工作流程

1.儀器和軟件

采用儀器包括：大疆無人機(jī)M600Pro（垂直起降固定翼無人機(jī)，飛行總重 24kg， 任務(wù)載荷 2kg， 巡航速度25m/s， 續(xù)航時(shí)間4h，抗風(fēng)能7級(jí)）；成都睿鉑RIYD2（可量測型航測相機(jī)，五相機(jī)鏡頭，有效像素1億像素，畫幅53.4mm×40mm）。采用軟件包括： 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)Smart3D，三維激光掃描儀Riegl-R400 及配套軟件RISCANPro。

2.數(shù)據(jù)采集過程

（1）無人機(jī)傾斜攝影

此次無人機(jī)傾斜攝影試驗(yàn)，共有6個(gè)像控點(diǎn)，采用像控坐標(biāo)系為2000坐標(biāo)系，高斯三度帶，中央子午線120度，航攝時(shí)自動(dòng)采集POS數(shù)據(jù)。

此次航測的航高為800米，航向重疊度為75%，旁向重疊度在50%，共獲取了11185張像片。在內(nèi)業(yè)空三加密前，對(duì)影像進(jìn)行了畸變差校正，像控點(diǎn)以注記說明和點(diǎn)位略圖為參照刺點(diǎn)，綜合判定點(diǎn)位，對(duì)個(gè)別錯(cuò)點(diǎn)、疑點(diǎn)校核左右像對(duì)及上下航線同名目標(biāo)，以判定其準(zhǔn)確性。

（2）三維激光掃描

試驗(yàn)測站7個(gè)，每次測站用時(shí)8分50秒。三維激光掃描采集完畢后，利用RISCAN軟件完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集成。

（3）DEM與 DOM制作

使用smart3D軟件，通過傾斜攝影過程中得到的POS數(shù)據(jù)和三維激光掃描測站得到的 RTK數(shù)據(jù)，采用ICP算法，合成傾斜攝影獲得的DEM模型與三維激光掃描得到的DEM模型，得到更精細(xì)的 DEM 模型，而后通過貼紋理得到數(shù)字正射影像模型。

三、項(xiàng)目試驗(yàn)成果

點(diǎn)云是激光掃描和傾斜攝影測量成果的基本體現(xiàn)形式，記錄著測量對(duì)象平面、高程及表面色系等信息，是實(shí)施后期建模、專業(yè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測量精度至關(guān)重要。為判別測量成果精度的準(zhǔn)確性，本文引用 RTK 實(shí)測數(shù)據(jù)與 兩類成果點(diǎn)云進(jìn)行比較驗(yàn)證，兩類點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水平面上均具有良好的控制效果，誤差基本在毫米級(jí)和厘米級(jí)，但無人機(jī)傾斜攝影在高陡地形上的高程精度控制明顯要弱于地面三維激光掃描，誤差達(dá)到米級(jí)。為彌補(bǔ)點(diǎn)云之間局部偏差問題，宜以三維激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，將傾斜攝影點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)擬合，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合。

四、結(jié)語

本文通過綜合運(yùn)用傾斜攝影與三維激光掃描技術(shù)兩種手段，提出了一種在復(fù)雜地形條件下的高精度方法。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在精度控制上要優(yōu)于無人機(jī)攝影測量，以激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，采用基于特征點(diǎn)的 ICP 配準(zhǔn)算法可有效融合兩類不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而高效率構(gòu)建高精度、高分辨率的三維點(diǎn)云模型，由此克服地形地物的限制與遮擋，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地面信息的無死角數(shù)據(jù)采集，提高了作業(yè)效率，此外還減少了 3dmax人工修補(bǔ)空洞的工作。采用 RTK 與 POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一激光掃描和傾斜攝影的控制點(diǎn)坐標(biāo)系，可保障 兩類測量成果坐標(biāo)統(tǒng)一，便于利用 ICP配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)兩類不同測量成果的數(shù)據(jù)級(jí)匹配。