摘 要:地面激光掃描儀(Terrestrial Laser Scanner,TLS)能夠快速地獲取高大建筑物側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù),但較難獲取其頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicles,UAV)通過(guò)搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī),能在短時(shí)間內(nèi)獲取高大建筑物的頂部影像,并基于攝影測(cè)量原理生成建筑物頂部的三維點(diǎn)云。文中針對(duì)高大建筑物的三維建模,首先,通過(guò)UAV影像構(gòu)建三維點(diǎn)云信息,其次,將UVA影像點(diǎn)云與TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后構(gòu)建其三維模型。
關(guān)鍵詞:點(diǎn)云;無(wú)人機(jī)影像;地面激光掃描儀;三維建模
一、 引言
三維場(chǎng)景重建是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分,傳統(tǒng)的三維建模方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)模型高精度的要求。很多城市已基本完成大區(qū)域的數(shù)字城市建設(shè),小區(qū)域場(chǎng)景更新已經(jīng)成為重要問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。
無(wú)人機(jī)影像可以獲取建筑物頂部和地面信息,結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的建筑物立面信息,進(jìn)行建筑物模型構(gòu)建,可以完成三維場(chǎng)景的快速更新。
二、 數(shù)據(jù)采集與處理
(一)三維激光點(diǎn)云的采集與處理
激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢后,輸入各站點(diǎn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)值,根據(jù)同一地物的3站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)該重疊的原理,首先對(duì)任意3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作直到相互重合為止,然后其他站點(diǎn)同樣通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式與前3站中的任一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合,如此完成全部站點(diǎn)的點(diǎn)云粗配準(zhǔn)工作。利用著名的迭代最鄰近(Iterative Closest Point,ICP)算法在站點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)云中搜尋最鄰近的同名點(diǎn),根據(jù)最鄰近點(diǎn)解求剛體變換的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù),這里因?yàn)檎军c(diǎn)坐標(biāo)位置已知,只需要設(shè)置求取各站點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)即可,通過(guò)最鄰近點(diǎn)對(duì)的不斷搜索和變換參數(shù)的迭代計(jì)算完成點(diǎn)云的精配準(zhǔn)過(guò)程,點(diǎn)云精配準(zhǔn)的中誤差控制在2cm以?xún)?nèi)。生成全部點(diǎn)云的高程直方圖,通過(guò)確定直方圖中的高位、低位點(diǎn)云的分割閾值來(lái)剔除點(diǎn)云的高位、低位噪聲,通過(guò)搜索點(diǎn)云周?chē)c(diǎn)數(shù)少于3個(gè)點(diǎn)的要求移除孤立點(diǎn)云。
(二)激光點(diǎn)云與攝影點(diǎn)云的融合
地面三維激光點(diǎn)云是通過(guò)地面激光掃描儀直接量測(cè)得到,而攝影測(cè)量點(diǎn)云通過(guò)二維圖像序列估計(jì)三維結(jié)構(gòu)獲得,因此,激光點(diǎn)云的精度要明顯優(yōu)于攝影測(cè)量點(diǎn)云的精度。對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)云,先用點(diǎn)云噪聲去除方法刪除孤立、高位和低位噪聲,再采用漸進(jìn)式三角網(wǎng)加密算法,通過(guò)設(shè)置最大建筑物尺寸、迭代角度和迭代距離參數(shù)過(guò)濾掉地面點(diǎn)類(lèi)而保留其非地面點(diǎn)類(lèi)(含建筑物、樹(shù)木、路燈等),根據(jù)傾斜攝影點(diǎn)云中的非地面點(diǎn)云(大部分為建筑物)與激光點(diǎn)云的非地面點(diǎn)云的重合部分,以地面激光點(diǎn)云為基準(zhǔn),通過(guò)ICP配準(zhǔn)算法尋找并匹配非地面點(diǎn)云中的同名特征點(diǎn),最終將傾斜攝影點(diǎn)云精確匹配到地面激光點(diǎn)云中,二者的匹配精度為9cm,形成了研究區(qū)域地形地物的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
三、 三維場(chǎng)景重建關(guān)鍵技術(shù)
(一)無(wú)人機(jī)影像幾何糾正
由于無(wú)人機(jī)影像的相幅較小,在進(jìn)行影像糾正前首先要進(jìn)行影像拼接,影像拼接使用Photoshop和ENVI結(jié)合的方法,無(wú)人機(jī)影像幾何糾正是將原始的圖像數(shù)據(jù)投影到平面上,把地圖投影系統(tǒng)賦予原始圖像,使其符合糾正要求形成新的影像。
(二)建筑物模型重建
建筑物模型重建包括:點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征線(xiàn)提取、模型構(gòu)建、紋理映射等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、噪聲濾除、數(shù)據(jù)重采樣、數(shù)據(jù)分割四個(gè)方面;模型構(gòu)建、紋理映射在Revit軟件中進(jìn)行。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將多測(cè)站掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,有基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和基于測(cè)站的拼接。使用較多的是基于同名點(diǎn)的拼接方法,同名點(diǎn)可以是特制的標(biāo)靶或具有明顯特征的建筑物腳點(diǎn)和地物點(diǎn)。拼接過(guò)程要多于4個(gè)同名點(diǎn),以某一站為基準(zhǔn)站,根據(jù)同名點(diǎn)求取其他測(cè)站相對(duì)基準(zhǔn)站的3個(gè)旋轉(zhuǎn)、3個(gè)平移參數(shù)。
四、 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與三維建模
(一)基于ICP算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)
設(shè)UAV點(diǎn)云為目標(biāo)點(diǎn)云,記:集合P={pi,i=1,2,3,n},TLS點(diǎn)云為待配準(zhǔn)點(diǎn)云,記:集合Q={qi,i=1,2,3,m}。ICP基本原理是對(duì)Q中元素進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等迭代操作,每迭代一次結(jié)束后計(jì)算Q與P的誤差或者迭代次數(shù)是否達(dá)到給定的值,如果達(dá)到則認(rèn)為P和Q配準(zhǔn)成功。進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)首先任意給定3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和3×1的平移矩陣T,誤差函數(shù)計(jì)算表達(dá)式,迭代次數(shù)等參數(shù),由于是對(duì)同一物體進(jìn)行采集,因此不存在縮放,不需要給定縮放矩陣。
(二)三維建模
1. 配準(zhǔn)數(shù)據(jù)三維模型
將UAV影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)與TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后,構(gòu)建其三維模型,建筑物模型的側(cè)面信息輪廓分明,建筑物頂部不存在空洞,模型頂部信息完整,配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)同時(shí)具備了建筑物屋頂信息和立面信息,三維模型更加完整。
2. 地面模型重建
在去噪后的地面三維激光點(diǎn)云的基礎(chǔ)上,采用漸進(jìn)式三角網(wǎng)加密算法濾除非地面點(diǎn)云,將保留的地面點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中,在點(diǎn)云編輯階段,通過(guò)“著色點(diǎn)”工具增強(qiáng)點(diǎn)云的可視化效果,通過(guò)“體外孤點(diǎn)”和“非連接項(xiàng)”工具選擇并刪除孤立噪聲點(diǎn)云,在“減少噪聲”工具中選擇“積極棱柱形”進(jìn)一步減少遠(yuǎn)離曲面模型的噪聲點(diǎn)云,根據(jù)“曲率采樣”工具保留高曲率區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)來(lái)保留地形的細(xì)節(jié),設(shè)置90%的數(shù)據(jù)量來(lái)進(jìn)行曲率采樣。
五、 結(jié)語(yǔ)
激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像集成構(gòu)建的三維場(chǎng)景可以提高真實(shí)感、豐富模型的幾何細(xì)節(jié)及紋理細(xì)節(jié)、提高模型的幾何精度。但激光點(diǎn)云與影像配準(zhǔn)自動(dòng)程度比較低,三維建筑物模型與二維影像配準(zhǔn)技術(shù)仍不成熟,難以達(dá)到自動(dòng)配準(zhǔn),無(wú)人機(jī)影像中建筑物邊界自動(dòng)提取和建筑物立面的配準(zhǔn)將是日后研究的方向。
參考文獻(xiàn):
[1]李永強(qiáng),劉會(huì)云,曹鴻,等.基于空-地多源數(shù)據(jù)融合的建筑物精細(xì)建模研究[J].測(cè)繪工程,2015,24(8):1-4,10.
[2]王峰.集成RTK的三維激光掃描技術(shù)測(cè)量地形的方法[J].測(cè)繪通報(bào),2017(3):78-82.
作者簡(jiǎn)介:
紀(jì)靜靜,北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司。