多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在古建筑三維重建中的應(yīng)用

徐光禹，杜 寧，王 莉，裴書玉，李豐旭，羅 輯

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；3.貴州云圖瞰景地理信息技術(shù)有限公司，貴州 貴陽 550007)

古建筑測繪是文物保護(hù)工作的基礎(chǔ)和前提，作為城市的歷史文化遺產(chǎn)，其模型重建是建立魅力城市的核心研究內(nèi)容之一?；趩我粩?shù)據(jù)源的三維建模有很大的局限性，如利用地面三維激光技術(shù)對建筑物掃描建模時(shí)，由于遮擋導(dǎo)致建筑物立面局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失[1]，且不能得到建筑物頂部的幾何及紋理信息，影響后期建模的完整性。又如近年來發(fā)展起來的無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)，其在建筑物密集區(qū)域，較難獲得全方位無信息盲點(diǎn)的傾斜影像，在狹小區(qū)域和精度上存在很多局限性，而在這方面地面三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是可以互補(bǔ)的。在實(shí)際工作中，大型場景、高精度的模型重建大都采用多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行建模[2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對建筑物模型重建進(jìn)行了大量的研究工作。目前的建筑物模型重建方法大致可以歸為3類：數(shù)據(jù)源、重建策略和重建模型的類型[3]。一般來說，建筑物三維重建的數(shù)據(jù)源主要包括：航空航天影像[4]、近景影像[5]、機(jī)載LiDAR點(diǎn)云[6]、地面或車載LiDAR點(diǎn)云、無人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)[7]。文獻(xiàn)[8]以建筑輪廓為配準(zhǔn)基元，利用車載LiDAR數(shù)據(jù)提取建筑物輪廓，結(jié)合航空LiDAR數(shù)據(jù)采用配準(zhǔn)關(guān)系修正的方法實(shí)現(xiàn)了高精度配準(zhǔn)。文獻(xiàn)[9]綜合應(yīng)用BIM、三維激光掃描、航拍傾斜測量等技術(shù)對上海玉佛寺精細(xì)建模，快速建立了既有古建筑的數(shù)字化模型。對于建筑物頂部和側(cè)面模型的重建，如文獻(xiàn)[10—11]集成多源LiDAR數(shù)據(jù)，尤其是車載和航空LiDAR數(shù)據(jù)對建筑物進(jìn)行完整構(gòu)建。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)逐漸應(yīng)用于各類模型重建工作中，技術(shù)方法也在逐步提升。

本文采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行建模，即利用地面三維激光掃描儀獲取目標(biāo)建筑物立面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集建筑物頂部和側(cè)面的航空影像，使用數(shù)碼相機(jī)對建筑物細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)拍，通過對不同設(shè)備獲取的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，使得模型重建更為精確、完整和美觀。

1 技術(shù)路線

利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)建模的技術(shù)路線如圖1所示。

2 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)是將不同設(shè)備采集得到的同一目標(biāo)地物的影像、點(diǎn)云、照片等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到更加精確、完整、美觀的三維模型，其相較于傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)源的建模有較大優(yōu)勢，使得由不同設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了數(shù)據(jù)來源的完整性和可靠性[12]。整體流程可分為3個(gè)步驟：①數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括影像的幾何及大氣校正、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理；②多源數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一；③多源數(shù)據(jù)信息融合。在對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一后，還要利用一定的融合算法對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，從而生成信息更加豐富的實(shí)景三維產(chǎn)品[13]。

2.1 多源坐標(biāo)系的統(tǒng)一

多源數(shù)據(jù)的空間融合是指將不同設(shè)備獲得的點(diǎn)云、影像等數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系統(tǒng)下。因此，坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換對于多源數(shù)據(jù)融合處理有著重要的意義。三維激光掃描儀系統(tǒng)、航空攝影測量系統(tǒng)及相機(jī)拍攝中涉及幾個(gè)較為重要的坐標(biāo)系統(tǒng)，包括世界(絕對)坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、掃描儀坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系及成像平面坐標(biāo)系。坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一是進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。

坐標(biāo)系之間的變換可以借助計(jì)算機(jī)視覺理論中的基本原理實(shí)現(xiàn)。已知需要轉(zhuǎn)換的兩個(gè)坐標(biāo)系分別表示為A=(oA,iA,jA,ka)和B=(oB,iB,jB,kB)，如圖2所示。

假設(shè)其中1個(gè)坐標(biāo)系中某點(diǎn)P的坐標(biāo)向量表示為

通過以上方法完成坐標(biāo)統(tǒng)一。

2.2 多源信息數(shù)據(jù)融合

多源測量數(shù)據(jù)中均包括影像和點(diǎn)云兩種數(shù)據(jù)。地面三維激光掃描系統(tǒng)采集目標(biāo)建筑物立面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無人機(jī)航測獲得目標(biāo)建筑物周圍的傾斜影像，并對這兩種設(shè)備采集不到的部位進(jìn)行近景影像補(bǔ)拍，最終將影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下[14]。

將無人機(jī)傾斜攝影的影像及地面單反相機(jī)補(bǔ)拍的照片經(jīng)過影像匹配、空三處理、生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過紋理映射生成三維模型場景，再結(jié)合地面三維激光掃描系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，最終重建得到三維立體模型，如圖3所示。

3 試驗(yàn)區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

3.1 天王殿概況

天王殿位于貴陽市金陽新區(qū)北部的西普陀寺(原名白云寺)，建于康熙六年(公元1667年)前，迄今已有300余年歷史。本文研究的古建筑是位于寺院中軸線的天王殿，建筑面積447.44 m2，高16.90 m，如圖4所示。

3.2 地面三維激光掃描測量

為獲取天王殿的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場踏勘，制訂了可實(shí)施測量方案。天王殿周圍視野比較開闊，正面距牌坊約28 m，后面距大悲殿約30 m，右邊距素齋廳約14 m，左邊距貴賓樓約16 m，周圍空間可以滿足掃描架設(shè)儀器的需要。

根據(jù)目的與精度要求，結(jié)合天王殿周邊環(huán)境，考慮FARO Focus3D X330掃描儀獲取數(shù)據(jù)的功能，擬采用公共點(diǎn)(標(biāo)靶球)數(shù)據(jù)拼接方式對天王殿進(jìn)行多站掃描。按照儀器到標(biāo)靶球的距離控制在20 m內(nèi)的要求，共設(shè)置6個(gè)測站。根據(jù)公共點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接要求，相鄰測站間布設(shè)3個(gè)公共點(diǎn)，掃描設(shè)站方案如圖5所示。

掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建模前需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接等預(yù)處理工作，本文使用的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件為FARO SCENE 5.5.0版本。由于天王殿采用公共點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集方式，因此選擇自動(dòng)拼接的方法。拼接的主要過程為：新建項(xiàng)目→將原始文件拖入項(xiàng)目→加載所有掃描→操作→正在預(yù)處理→預(yù)處理掃描。拼接后的結(jié)果如圖6(a)所示，將掃描儀拍攝的同軸照片上的顏色映射到點(diǎn)云中生成帶有RGB信息的點(diǎn)云，如圖6(b)所示。

3.3 無人機(jī)航測

無人機(jī)傾斜影像采集是多源數(shù)據(jù)融合建模工作中的重要環(huán)節(jié)，影像獲取的質(zhì)量對模型重建的效果至關(guān)重要。圖7(a)為外業(yè)影像采集所用無人機(jī)——大疆悟(Inspire 1 Pro)，圖7(b)為現(xiàn)場圖片。從現(xiàn)場圖片可以看出，外業(yè)航片采集時(shí)飛機(jī)航高設(shè)置較低，影像拍攝時(shí)光照條件較好，影像重疊度符合建模要求。

由《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)可知，在采集設(shè)備等其他因素不變的情況下，航高越低，地面分辨率越高。在開展無人機(jī)航測外業(yè)工作之前，應(yīng)全方位搜集測區(qū)的基本概況。如本次項(xiàng)目區(qū)為市內(nèi)景區(qū)，首先要了解測區(qū)是否在限飛區(qū)，然后在航飛前要與景區(qū)管理人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，最后設(shè)計(jì)初步方案，明確航測作業(yè)空域和飛行載體，安排好相關(guān)細(xì)節(jié)。具體流程如圖8所示。

3.4 地面單反相機(jī)補(bǔ)拍

地面單反相機(jī)不受設(shè)站和遮擋的影響，可在相對擁擠狹小的空間進(jìn)行作業(yè)，靈活性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)無人機(jī)航攝和地面三維激光掃面因遮擋而產(chǎn)生的孔洞，使數(shù)據(jù)更加完整、連續(xù)，從而提升多源數(shù)據(jù)融合的性能，提高模型重建精度和完整度。本次試驗(yàn)使用Canon EOS 6D高端單反相機(jī)進(jìn)行補(bǔ)拍，整個(gè)近景影像采集中固定焦距不變。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用Smart3D Capture軟件進(jìn)行建模試驗(yàn)。Smart3D是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場景運(yùn)算軟件，其優(yōu)勢在于快速、簡單、全自動(dòng)、廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性及優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸出格式，無需人工干涉即可生成逼真的三維實(shí)景模型[15]。Smart3D軟件可以將無人機(jī)航空影像、地面三維激光點(diǎn)云及地面相機(jī)照片聯(lián)合處理，分別對單一點(diǎn)云、空地影像、空地影像+點(diǎn)云三種數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

4.1 天王殿實(shí)景三維建模

Smart3D軟件自動(dòng)化程度較高，在處理中不需要太多的人工干預(yù)。其建模過程為：新建工程→影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入→控制點(diǎn)量測→空三加密→點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入→模型重建。其中在控制點(diǎn)量測中首先要選擇控制點(diǎn)的參考，本次試驗(yàn)控制點(diǎn)的坐標(biāo)基準(zhǔn)采用掃描工程坐標(biāo)系統(tǒng)，將空地影像統(tǒng)一到掃描坐標(biāo)系統(tǒng)下。

在模型重建過程中，ContextCapture會基于空三多視影像密集匹配生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將地面三維激光點(diǎn)云導(dǎo)入進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，同時(shí)能夠自動(dòng)檢測評估不規(guī)則三角網(wǎng)，自動(dòng)優(yōu)化不合理的三角網(wǎng)表面(如圖9所示)，并能生成帶白模的三維模型(如圖10所示)。由于在控制點(diǎn)量測后影像數(shù)據(jù)具有精確的坐標(biāo)信息，軟件能夠根據(jù)TIN網(wǎng)中三角形的空間位置自動(dòng)映射最佳視角的影像作為模型紋理，進(jìn)而完成目標(biāo)地物實(shí)景三維模型的生產(chǎn)(如圖11所示)。

4.2 建模效果對比

為了驗(yàn)證多源數(shù)據(jù)融合建模的優(yōu)勢，本文對地面激光點(diǎn)云單一數(shù)據(jù)建模、空地影像融合建模、地面激光點(diǎn)云+空地影像融合建模分別進(jìn)行建模試驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示。

從以上3種數(shù)據(jù)的建模結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，利用地面激光點(diǎn)云單一數(shù)據(jù)建模時(shí)，雖然立面掃描精度較高，但由于在掃描中建筑物本身的遮擋及缺少建筑物頂部數(shù)據(jù)，所建三維模型出現(xiàn)較多的孔洞，模型不夠完整。利用空地影像融合建模時(shí)，模型基本完整，但建筑物中的立柱及一些較小的部件由于點(diǎn)數(shù)較少生成的模型不夠完整且精度較低。利用地面激光點(diǎn)云+空地影像融合建模彌補(bǔ)了上述兩種方法建模的不足，建模結(jié)果精度更高，模型更加美觀、完整。

5 結(jié) 語

本文對基于多源數(shù)據(jù)融合的古建筑三維重建技術(shù)進(jìn)行了探討。試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于單一點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模、空地影像建模，本文所提出的地面三維激光點(diǎn)云+空地影像融合三維建模效果更好，質(zhì)量有較大提升，彌補(bǔ)了地面三維激光掃描點(diǎn)云建模時(shí)因遮擋和頂部信息缺失產(chǎn)生大量孔洞的不足，也克服了影像建模時(shí)對于立柱和小部件建模精度不高的缺點(diǎn)。