三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)在數(shù)字園林建設(shè)中的應(yīng)用

姜 華，鄒亦林

（溫州市建筑廢土處置有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

三維激光掃描技術(shù)由于具有非接觸性、快速性、主動(dòng)性、實(shí)時(shí)獲取等優(yōu)勢(shì)，越來越廣泛地應(yīng)用在數(shù)字園林建設(shè)工作中。傾斜無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量平臺(tái)獲取多視影像數(shù)據(jù)具有成本低、時(shí)效性強(qiáng)、靈活性高、影像分辨率高等特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者將傾斜無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字園林建設(shè)領(lǐng)域，并取得一定的研究成果。伴隨著時(shí)代的發(fā)展，人民思想意識(shí)的進(jìn)步，生態(tài)文明建設(shè)已然成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展與人民生活改善的主要目標(biāo)之一。園林工程建設(shè)是當(dāng)前城市生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，可以切實(shí)滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求。因此，需要有關(guān)管理人員在實(shí)際的園林工程建設(shè)中充分的應(yīng)用好智慧園林技術(shù)，以此來不斷提升當(dāng)前園林工程建設(shè)的水平與效率，進(jìn)而有效的促進(jìn)國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的繁榮發(fā)展。

1 三維激光掃描技術(shù)

3D 激光掃描是近年來為解決許多傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的技術(shù)難題而采用的一種廣泛的新測(cè)量技術(shù)。該方法采用高速非接觸激光采集方法，將激光束發(fā)送和接收到被測(cè)物體返回的被測(cè)物體，從而獲得被測(cè)物體的空間坐標(biāo)信息。三維激光掃描儀的結(jié)果是大量空間坐標(biāo)，稱為點(diǎn)云，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)測(cè)量對(duì)象表面的描述，是三維空間中數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，由目標(biāo)對(duì)象表面上的一系列空間采樣點(diǎn)組成，這些點(diǎn)具有高數(shù)據(jù)量、高密度、光度學(xué)和曲面紋理，可為每個(gè)樁號(hào)連接和檢索點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。

SLA 激光掃描系統(tǒng)主要由激光掃描儀（激光掃描儀）、慣性測(cè)量系統(tǒng)（慣性釋放單元IMU）和SLM 算法（并發(fā)操作映射）3 個(gè)部分組成。由激光產(chǎn)生并發(fā)射的光束脈沖，反射在物體上，最終由光計(jì)接收器接收。接收器精確測(cè)量光脈沖從發(fā)射返回反射的傳輸時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖是以光速傳輸?shù)?，所以接收器總是在觸發(fā)下一次脈沖之前接收上一次反射的脈沖。因?yàn)楣馑偈且阎模詡鬏敃r(shí)間可以轉(zhuǎn)換成距離測(cè)量，這樣結(jié)合激光高度和激光掃描儀角度，可以精確計(jì)算空間中每個(gè)點(diǎn)的x、y 和z 坐標(biāo)。慣性測(cè)量單元是測(cè)量空間坐標(biāo)軸角度（或角速度）和主體加速度的機(jī)制。IMU 由三軸加速度計(jì)和三軸劑量螺釘組成，用于檢測(cè)主體在梁坐標(biāo)系的獨(dú)立軸上的加速度信號(hào)。Touthering 檢查測(cè)量主體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度，測(cè)量主體在三維空間中的速度和加速度，從而計(jì)算對(duì)導(dǎo)航至關(guān)重要的姿勢(shì)[2]。SLA算法是三個(gè)領(lǐng)域中最重要的，好的和壞的SLA 算法決定了計(jì)算軌跡的精度，軌跡的精度決定了空間場(chǎng)景中3D 數(shù)據(jù)的精度。SLAM 算法基于激光測(cè)距儀器采集的三維數(shù)據(jù)的時(shí)間線的共同特征特征，以及IMU 采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)的逆方向連續(xù)生成空間場(chǎng)景數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出從起點(diǎn)移動(dòng)的距離和角度信息。

2 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影是一種新型的攝影測(cè)量，它將計(jì)算機(jī)視覺化中的多視點(diǎn)三維重建與攝影測(cè)量相結(jié)合，以便在數(shù)據(jù)采集后對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行三維真實(shí)建模。雪攝影機(jī)是自動(dòng)控制攝影機(jī)和傾斜攝影機(jī)的組合，結(jié)合了快速靈活應(yīng)用無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。這使得在收集傾斜相機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)收集數(shù)據(jù)變得更加智能和高效。在數(shù)據(jù)采集過程中，從不同角度捕獲圖像，從而超出了直角圖像只能從垂直方向捕獲的范圍。這擴(kuò)大了探測(cè)范圍，允許從地面的多個(gè)角度收集數(shù)據(jù)。然后，可以使用計(jì)算機(jī)上的三維建模技術(shù)快速創(chuàng)建具有精確地理位置信息的三維空間模型，精確地在目標(biāo)區(qū)域中重新創(chuàng)建詳細(xì)的地形和建筑特性，提高建模效率和質(zhì)量，并將模型精度提高到毫米。攝影機(jī)傾斜相機(jī)收集的數(shù)據(jù)包括POS 數(shù)據(jù)和HD 照片，其中POS 數(shù)據(jù)主要收集飛行控制系統(tǒng)拍攝照片時(shí)產(chǎn)生的空中交通期間的經(jīng)度和緯度、高度、飛行方向、飛行位置等。相機(jī)傾斜3D 塑型是一種以影像為基礎(chǔ)的塑型，其中以影像為基礎(chǔ)的塑型的主要目的是從2D 影像還原場(chǎng)景的3D 幾何圖形[3]。由于圖像本身包含大量場(chǎng)景信息，因此很容易從圖像中獲取真實(shí)場(chǎng)景的三維模型。以上過程可以概述如何從傾斜圖像生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，例如，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角剖分、創(chuàng)建“白色模型”和“白色模型”紋理映射創(chuàng)建所需的3D 模型。基于圖像的建模方法與傳統(tǒng)建模程序或三維掃描儀相比，提供了多種應(yīng)用程序要求，因?yàn)樗鼈兏?jīng)濟(jì)、更逼真和自動(dòng)化。

3 數(shù)字園林建設(shè)

3.1 智慧園林的3 種智慧形式

（1）人類與現(xiàn)代科技的智慧。在工程技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)。技術(shù)人員可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)當(dāng)前的工程建設(shè)條件以及資源進(jìn)行分析，并利用3S 技術(shù)對(duì)園林工程建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)繪，使用BIM 建模技術(shù)對(duì)其園林工程建設(shè)施工進(jìn)行建模。之后按照既得的數(shù)據(jù)展開分析，由設(shè)計(jì)人員編制出符合邏輯的園林工程建設(shè)方案，并由智能設(shè)備對(duì)其進(jìn)行預(yù)設(shè)模型。將所的數(shù)據(jù)信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以此來完成智慧園林的工程建設(shè)方案設(shè)計(jì)。

（2）人類與環(huán)境的智慧。工程建設(shè)人員要對(duì)園林時(shí)間、空間等元素進(jìn)行分析，并對(duì)其科學(xué)合理的利用，以此來創(chuàng)造出具有生態(tài)可持續(xù)性的園林景觀。人類具有智慧，周圍的環(huán)境同樣具有智慧，環(huán)境中的植物可以有效的感知外界的變化，并立刻采取相應(yīng)的行動(dòng)，而人與環(huán)境進(jìn)行相互的感知，便可以借助各自的智慧來真正的實(shí)現(xiàn)生態(tài)的平衡。

（3）現(xiàn)代科技與環(huán)境的智慧。當(dāng)前的園林工程建設(shè)強(qiáng)調(diào)人與自然和諧共存。若是按照傳統(tǒng)的園林工程建設(shè)方案，可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間才可以完成這一目標(biāo)。但是現(xiàn)代科技技術(shù)則可以有效的縮短其完成的周期，技術(shù)人員通過對(duì)環(huán)境中的各元素的感知，從而創(chuàng)造出仿真的自然環(huán)境[4]。智慧園林通過上述3 種類型的智慧形式，逐漸將較為抽象的“智慧”轉(zhuǎn)變成為具象化的“智慧”，將其充分的應(yīng)用在當(dāng)前的園林工程建設(shè)中，不僅能夠充分的提升園林工程建設(shè)的質(zhì)量與效率，還可以使得園林工程建設(shè)更具可持續(xù)性以及生態(tài)性，切實(shí)符合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的基本要求。

3.2 園林綠化數(shù)字孿生應(yīng)用研究的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)園林綠化工程多依賴人工管理方式，在建設(shè)和管理階段的數(shù)字化水平并不高，數(shù)字孿生技術(shù)在國(guó)內(nèi)園林綠化行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐仍處于初期。學(xué)者對(duì)園林綠化數(shù)字化管理的研究應(yīng)用主要集中在以下方面：城市園林綠化數(shù)據(jù)輔助政府科學(xué)決策、園林綠化建設(shè)管理過程數(shù)字、古樹名木管理數(shù)字化、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督管理電子化等。上述研究幾乎均未談及園林綠化數(shù)字化的前提：用于三維可視化的三維圖形渲染引擎技術(shù)，尤其是在面對(duì)大型園林綠化項(xiàng)目時(shí)，若要對(duì)園林綠化的各個(gè)構(gòu)成要素進(jìn)行三維可視化，圖形引擎技術(shù)將成為大制約因素。

4 數(shù)字園林建設(shè)中三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用方法

4.1 三維激光點(diǎn)云輔助市政道路綠化數(shù)據(jù)采集

市政道路綠化數(shù)據(jù)采集主要利用車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了激光掃描單元、GNSS 定位單元、慣性測(cè)量單元定姿單位，同步控制單元及高清數(shù)碼相機(jī)等單元，可以快速獲取市政道路兩側(cè)綠化點(diǎn)云數(shù)據(jù)及高清全景影像數(shù)據(jù)，從而極大提高市政道路綠化調(diào)查工作的效率和精度。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確得到市政道路分車綠化帶、人行綠化帶、人行步道、附屬綠化帶、行道樹的綠化面積；通過專業(yè)配套軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和全景影像聯(lián)動(dòng)測(cè)圖功能，通過點(diǎn)云全景聯(lián)動(dòng)可以輔助判別市政道路綠化樹木的樹種和類型[5]。為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，本文利用手持三維激光掃描對(duì)車輛無(wú)法通行和植被密集區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充采集，并與其他平臺(tái)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)處理；通過LIDAR360 處理軟件自動(dòng)提取市政道路綠化樹木位置坐標(biāo)、樹高及胸徑信息。相對(duì)于傳統(tǒng)采集方式，三維激光點(diǎn)云輔助市政道路綠化采集方式提高了作業(yè)安全性，極大減少了人力和物力，降低了采集錯(cuò)誤率。

4.2 全要素地形圖生產(chǎn)

首先，預(yù)先處理點(diǎn)云資料，如噪波、地球點(diǎn)分類、歸一化等。曲面點(diǎn)分類使用改進(jìn)的、漸進(jìn)的、加密的三角網(wǎng)過濾算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程值對(duì)地面的影響。其次，將從木材中分割標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)并提取胸腔。設(shè)置收斂閾值、最小收斂點(diǎn)數(shù)、乳腺直徑范圍、地面點(diǎn)上方的高度等參數(shù)。固定以獲取有關(guān)樹坐標(biāo)、樹高、乳腺直徑等信息。由于環(huán)境復(fù)雜，樹排列不規(guī)則，在進(jìn)行手動(dòng)檢查之前，方法為70%～90%。將樹信息作為整個(gè)對(duì)象地圖的一部分重新導(dǎo)入EPS（3D 繪圖程序）軟件中。

4.3 傾斜攝影

根據(jù)項(xiàng)目作業(yè)要求，收集測(cè)區(qū)資料，必要時(shí)進(jìn)行野外踏勘。通過對(duì)測(cè)區(qū)的踏勘，現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)區(qū)地物，查看地形起伏、路況、建筑，了解測(cè)區(qū)內(nèi)建筑物最大高度，以便作業(yè)單位規(guī)劃航線，制定飛行案，保證飛行安全。同時(shí)確認(rèn)并標(biāo)記測(cè)區(qū)內(nèi)機(jī)場(chǎng)、信號(hào)塔、高壓線等禁飛區(qū)或影響飛行安全的建筑位置，以確認(rèn)作業(yè)區(qū)域起降場(chǎng)地[6]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行航線設(shè)計(jì)，并選擇適宜的飛行時(shí)間進(jìn)行航飛。航飛結(jié)束后，對(duì)航飛成果進(jìn)行飛行和影像質(zhì)量檢查。經(jīng)檢查，每個(gè)架次航線均較為平直，平進(jìn)平出，未出現(xiàn)較大扭曲。航高平穩(wěn)，航向重疊和旁向重疊均不低于70%，航飛時(shí)在測(cè)區(qū)邊界以及相鄰航攝分區(qū)間進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐鈹U(kuò)，滿足測(cè)區(qū)邊界覆蓋。

4.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)空三加密、生產(chǎn)DEM 和DOM 3 個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是檢查外業(yè)航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成圖質(zhì)量是否符合要求，核查影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)是否一致，并將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CGCS2000 坐標(biāo)系。

（2）數(shù)據(jù)空三加密?？杖用懿捎肕etashape 軟件，該軟件空三計(jì)算能力優(yōu)秀，影像畸變糾正能力比強(qiáng)。將傾斜影像、POS 數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)、相機(jī)參數(shù)等分別導(dǎo)入Metashape 進(jìn)行空三加密?？杖用芫唧w流程為：首先將傾斜影像進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)匹配，對(duì)獲取的特征點(diǎn)采用圖像特征匹配及跟蹤技術(shù)尋找和匹配不同像片間公共點(diǎn)，構(gòu)建自由網(wǎng)，導(dǎo)入控制點(diǎn)后進(jìn)行人工刺點(diǎn)，再進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，檢查控制點(diǎn)精度，調(diào)整控制點(diǎn)后再平差至空三結(jié)果滿足精度要求。

（3）生產(chǎn)DEM、DOM?？杖用軡M足精度要求后，可以導(dǎo)入空三成果進(jìn)行DEM、DOM 的生產(chǎn)[7]。

4.5 數(shù)字園林管理系統(tǒng)建設(shè)

本文采用前后端分離設(shè)計(jì)，構(gòu)建具有綠化信息查詢、綠化養(yǎng)護(hù)巡檢管理、公園信息查詢管理、古樹名木管理、病蟲害防治、道路綠化工程管理、應(yīng)急管理和系統(tǒng)管理等功能的數(shù)字園林管理系統(tǒng)。解決當(dāng)前數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性、應(yīng)用廣泛性、管理動(dòng)態(tài)性、內(nèi)容詳細(xì)性等一系列問題，實(shí)現(xiàn)城市園林的數(shù)字化和可視化管理，提高各類養(yǎng)護(hù)工作的效率，為園林管理部門提供輔助決策。

5 結(jié)語(yǔ)

將三維地面激光掃描技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字園林建設(shè)中有以下優(yōu)勢(shì)：首先，非接觸性測(cè)量不但能夠保證測(cè)量人員的安全，也保護(hù)了數(shù)字園林建設(shè)不被損壞；其次，數(shù)據(jù)獲取速度快、測(cè)量工作效率高；再次，測(cè)量工作可以不受時(shí)空約束而實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)；最后，數(shù)據(jù)成果除了傳統(tǒng)的測(cè)繪圖之外還有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并能長(zhǎng)期保存和三維展示，方便查閱和研究。將三維地面激光掃描技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)充分的應(yīng)用于園林工程建設(shè)，不僅是時(shí)代發(fā)展的需求，同時(shí)也是園林工程建設(shè)發(fā)展的必由之路。智慧園林中的諸多先進(jìn)技術(shù)，都可以為當(dāng)前的園林工程建設(shè)帶來極大的便利，從而在一定程度上可以真正的實(shí)現(xiàn)園林工程建設(shè)工作的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙向統(tǒng)一，進(jìn)而全面促進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的繁榮發(fā)展。