基于三維激光掃描與無人機航測的三維地形測繪技術(shù)融合分析

賀昆霖

（湖南省自然資源調(diào)查所，湖南 懷化 418000）

0 引言

傳統(tǒng)地形測量不但要投入諸多人力、物力，且花費時間較長，在三維掃描技術(shù)、無人機航測等先進技術(shù)應(yīng)用后，可使以往地形測繪的難題得到妥善解決，快速精準的完成三維地形測繪任務(wù)。在實際應(yīng)用中，將常用的三維掃描與無人機航測兩種技術(shù)融合起來，優(yōu)勢互補，可使測量效率與準確性得到全面提升，即便是對地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的區(qū)域，同樣能夠獲得較高的數(shù)據(jù)精度，使測繪全面性與精確度充分滿足設(shè)計要求。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是依靠三維激光掃描儀對待測目標展開掃描與測量，以地形測繪為例，依靠脈沖激光測距方式，在激光掃描儀應(yīng)用中，采用極坐標系統(tǒng)，在內(nèi)部激光發(fā)射器朝著目標點位發(fā)射激光，并利用接收器收集反射回的脈沖信號，從水平和垂直兩個角度獲取被測物體信息，計算出其與自身的距離，最后處理所求數(shù)據(jù)，套入大地坐標后，得出最終點云坐標值，完成對目標點位的測繪與分析工作。在三維地形測繪中，其關(guān)鍵技術(shù)在于多視站點掃描、站點位置信息采集、點云數(shù)據(jù)配準等，可為后期數(shù)據(jù)處理與三維產(chǎn)品輸出打好基礎(chǔ)。三維激光掃描技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)路線

1.2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點

該項技術(shù)的功能日益完善，在點云數(shù)據(jù)收集中無須數(shù)據(jù)載體，只需與GPS 設(shè)備連接即可，此舉可有效避免多個系統(tǒng)傳輸錯誤的現(xiàn)象產(chǎn)生。在常規(guī)掃描狀態(tài)下，精度可達到厘米級別，還可使DEM 數(shù)據(jù)準確度明顯提升。在對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物掃描中同樣能夠采集更為完善的點云數(shù)據(jù)，適用于古建筑保護、數(shù)字校園建設(shè)等領(lǐng)域中，可為工作效果提升提供強有力的技術(shù)支持。該技術(shù)以多視站形式采集點云數(shù)據(jù)，其缺陷在于發(fā)射光線的仰角受到制約，導(dǎo)致受地形條件影響，很難準確布置點位。在掃描點內(nèi)無高點，目標頂部超過掃描范圍，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏，為DEM 數(shù)據(jù)采集工作帶來不便[1]。

2 無人機航測技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 無人機航測技術(shù)原理

無人機測量系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)容較多，包括飛行器、相機、通信設(shè)備與云臺等，在測量期間，利用無人機外業(yè)航拍采集測區(qū)影像數(shù)據(jù)，再精細化處理測區(qū)影像參數(shù)，創(chuàng)建DSM，篩除區(qū)域內(nèi)非地面點數(shù)據(jù)，最終得到測量成果，其技術(shù)流程如圖2 所示。按照上述技術(shù)流程，在點云數(shù)據(jù)采集與處理期間，應(yīng)與測區(qū)實際情況相結(jié)合，合理設(shè)定航測路線與高度，在作業(yè)區(qū)域內(nèi)準確布設(shè)監(jiān)控點位，經(jīng)過坐標測量后，再對航測數(shù)據(jù)預(yù)處理，綜合分析相控點匹配情況，得到更加準確的點云數(shù)據(jù)。

圖2 無人機航測技術(shù)流程

2.2 無人機航測技術(shù)的優(yōu)缺點

該項技術(shù)是在航空遙感測量基礎(chǔ)上產(chǎn)生，與遙感技術(shù)相比，可采集更加優(yōu)質(zhì)準確的地形信息。當前多旋翼無人機作業(yè)模式較為成熟，在拍攝中不會被遮擋視線，通過調(diào)節(jié)航跡角度、增加飛行器數(shù)量等方式，可采集到詳細的目標地形信息，其關(guān)鍵技術(shù)在于分區(qū)影像獲取、像控點位置信息采集、空三測量等。缺陷在于航拍角度受限，對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑物、水面等，無法準確還原，點云數(shù)據(jù)內(nèi)存在分層情況，使模型準確度受到一定影響。在三維地形航測過程中，空中三角測量期間常常無同名像點支持，使像片很難形成定向精度，致使建模精度降低[2]。

3 三維激光掃描與無人機航測在地形測繪中的融合應(yīng)用

3.1 工程概況

以某村鎮(zhèn)測繪項目為例，比例尺為1:500，測區(qū)內(nèi)人員活動量較大，包含大面積建筑。在地形掃描中，因局部受到遮擋，三維激光掃描技術(shù)很難全面掃描村鎮(zhèn)各個角落，針對掃描遺漏的區(qū)域，可利用無人機航測方式進行補充，重點對建筑、植被茂盛區(qū)域進行數(shù)據(jù)檢核，三維激光掃描與無人機技術(shù)互為補充，相互校驗，使檢測結(jié)果更加完善且詳細，充分滿足三維地形測繪要求。

3.2 站點掃描與數(shù)據(jù)配準

3.2.1 多點位掃描

三維激光技術(shù)利用定點掃描模式，按照技術(shù)流程，每次掃描能夠獲得被測目標的部分點云數(shù)據(jù)，先要求對被測對象與周圍環(huán)境進行考察，設(shè)置多個掃描站點，使被測對象得到多點位掃描，盡量采集完整詳細的點云數(shù)據(jù)。在確保數(shù)據(jù)采集準確、完善的情況下，盡量減少站點數(shù)量，提高掃描效果。在點位選擇時，通常選擇視野開闊、無遮擋的制高點。在實際掃描中，如若被測對象與自身相距較遠，目測很難判斷其角度范圍，就要求在掃描期間，360°全景掃描每個站點，獲得點云圖。在初始圖像基礎(chǔ)上，優(yōu)化各項參數(shù)，得到精掃圖，也就是初始點云數(shù)據(jù)。

3.2.2 站點位置信息采集

在衛(wèi)星定位技術(shù)不斷成熟下，人們能夠在短期內(nèi)準確掌握被測對象的位置信息。該項目采用RTK 技術(shù)進行高精度定位，依靠GPS 載波相位觀測法，結(jié)合參考站與移動站間的誤差關(guān)聯(lián)，依靠差分方式將移動站內(nèi)觀測誤差剔除，提高定位精度。結(jié)合掃描儀原理可知，單站掃描數(shù)據(jù)相對位置的點云坐標是以各站為原點，創(chuàng)建三維坐標系，使各站數(shù)據(jù)納入坐標系中，且互不干擾。為使各站信息能夠體現(xiàn)到相同坐標系中，需要掃描各站坐標信息，再對所得數(shù)據(jù)進行絕對定位與配準。在外業(yè)環(huán)節(jié)，利用RTK 與全站儀結(jié)合的方式，可使各站點大地坐標得到準確監(jiān)測，并量取儀器高度，得到點云數(shù)據(jù)的定位基準，如若在測區(qū)內(nèi)沒有基準控制點，則要對點位給予GPS 差分處理，選出特征最為典型的點位為原點，剩余點位以此為依據(jù)陸續(xù)納入坐標系內(nèi)[3]。

3.2.3 點云模型配準

該環(huán)節(jié)是兩項技術(shù)融合的核心所在，主要利用RTK 收集大地坐標，放入坐標系中，經(jīng)過三維變換和影像絕對定向，使初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c云模型的大地坐標系，再將兩項技術(shù)的點云坐標系統(tǒng)一起來，完成模型配準。從本質(zhì)上看，坐標系的三維轉(zhuǎn)變可看成是三維圖形轉(zhuǎn)變，點云拼接原理在于圖形坐標轉(zhuǎn)換，尋找局部與全局坐標系間的轉(zhuǎn)換矩陣，對于多視點云來說，在拼接中只涉及旋轉(zhuǎn)、平移，不需要縮放與投影，變換矩陣如式（1）所示。

對于三維激光技術(shù)采集的點云數(shù)據(jù)來說，在配準階段可將各測站坐標系進行統(tǒng)一，均納入大地坐標系統(tǒng)內(nèi)，完成數(shù)據(jù)配準，如圖3 所示。對于無人機采集的數(shù)據(jù)，在空三加密處理中，可利用相控點控制絕對定向過程，使各個區(qū)域點云均可嵌入大地坐標系內(nèi)。針對配準后的點云模型，利用專業(yè)軟件編輯后，對數(shù)據(jù)增刪或整合，得出配準后的模型。在相對定向結(jié)束后，相片位置基本明確，但在空間坐標內(nèi)的絕對位置尚未確定，需要利用空間前方交匯方式，創(chuàng)建與地面相近的模型。在該模型中利用相對定向內(nèi)的連接點進行控制，使該測區(qū)的相對坐標變?yōu)榻^對。在空三加密完畢后，每張像片都擁有眾多加密點坐標，需要對其進行處理才可輸出三維產(chǎn)品[4]。

圖3 配準后的三維點云數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理與輸出

在點云數(shù)據(jù)應(yīng)用中，可將兩種技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)整合起來，先分割提取點云數(shù)據(jù)，將地表物體、植被與地形信息分類整理，再利用不同建模方式，創(chuàng)建相應(yīng)的模型，獲得DEM 不規(guī)則三角網(wǎng)模型。采用特征點法，求解該模型坐標系與像素坐標系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過模型無變形紋理映射，獲得正射影像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，確定管轄范圍、拍攝范圍，獲得該工程的位置圖。最后借助AR 技術(shù)，對三維模型打包處理，輸出3D 產(chǎn)品，模型文件格式選用EXE 通用格式，支持在任何計算機上查看。值得強調(diào)的是，該項目利用三維激光技術(shù)進行測繪，容易受地形地物的影響，導(dǎo)致個別區(qū)域點云數(shù)據(jù)遺漏不全等情況產(chǎn)生，這就要求在實際測量中，發(fā)揮無人機航測的輔助作用，使數(shù)據(jù)缺陷得以補充，充分滿足地形測繪的各類要求。該項目中因航拍影像獲取的DSM模型沒有將植被剔除，對于植被覆蓋度低的區(qū)域，針對掃描數(shù)據(jù)進行檢驗，針對植被覆蓋度較高的位置，可用掃描數(shù)據(jù)與航拍數(shù)據(jù)進行估算，預(yù)測植被高度；在等高線優(yōu)化中，利用QuickTerrain 軟件按照測量獲取的點云數(shù)據(jù)實施處理，繪制等高距為1m 的線畫圖，將掃描數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)地面模型、RTK 測量等信息融合起來，可得到測區(qū)精細化地形圖，再將其嵌入到三維激光技術(shù)采集的地形圖內(nèi)，對兩種測量技術(shù)所得的相同點位高程、等高線走向的信息對比，結(jié)合對比結(jié)果，檢測與修改差異之處，使壩址區(qū)域更加明確[5]。

3.4 精度檢驗

在DEM 地形測繪中，DEM 分辨率屬于關(guān)鍵指標之一，對使用范圍具有較大影響。該指標是指DEM 內(nèi)最小單元格的長度，因其屬于離散數(shù)據(jù)，事實上，（X，Y）坐標便是小柵格的外在表現(xiàn)，每個柵格都有自己的位置標識，其尺寸便是DEM 分辨率，因此DEM 精度取決于柵格尺寸大小。在掃描站、像控點中選出80 個檢查點，所選各點位高程作為真實值，按照國家在地形圖航攝測量中的相關(guān)規(guī)定，選擇尺寸為0.5m、1.0m 和2.0m 的柵格，要求采樣點的誤差控制在±0.2m 左右。在現(xiàn)有TIN 模型基礎(chǔ)上，利用內(nèi)插法生成各個柵格對應(yīng)的DEM，對比各點位與DEM 內(nèi)插點，得出各柵格尺寸DEM 的誤差，如表1 所示。根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)可知，對于不同柵格的DEM 來說，誤差均低于要求范圍，沒有超出高程限定值的點數(shù)較少，同樣滿足標準，且精度超過傳統(tǒng)地圖法得出的DEM 精度，分辨率最小值不足1m。

表1 精度檢驗誤差成果

4 結(jié)語

綜上所述，在地形測繪過程中，通過三維掃描與無人機航測技術(shù)的融合應(yīng)用，可充分發(fā)揮前者大范圍、快速掃描的作用，后者對漏掃位置進行補充，發(fā)揮二者合力，共同完成點云數(shù)據(jù)采集、處理、成品輸出等工作。與傳統(tǒng)模式相比，數(shù)據(jù)精度質(zhì)量更高，且適用于環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜之處，能夠節(jié)約大量成本與時間，掃測效果良好，值得進一步推廣應(yīng)用。