三維激光掃描與無人機(jī)攝影在異形建筑三維建模中的應(yīng)用

摘? 要：當(dāng)前，三維激光掃描是異形建筑中首選的三維建模測量方式。但在實(shí)際異形建筑三維建模過程中，三維激光掃描會(huì)受到視角等多方面的限制，存在模型缺失等問題。相較于三維激光掃描，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)模型完整性較強(qiáng)，但整體精度較差，為大幅提升異形建筑三維建模精度，文章將兩種測量建模技術(shù)相融合。以“鳥巢”為典型異形建筑樣例，通過數(shù)據(jù)采集與分析，對(duì)單獨(dú)建模和融合建模的精度展開研究，以期為異形建筑三維建模提供新方法、新思路。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)；異形建筑；三維建模

中圖分類號(hào)：P225.2；P237? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）19-0163-04

Application of 3D Laser Scanning and UAV Photography in 3D Modeling of Irregular Buildings

ZHANG Jinrui

（Baiyin Mineral Exploration Institute of Gansu Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Baiyin? 730900， China）

Abstract： At present， 3D laser scanning is the preferred 3D modeling and measurement method for irregular buildings. However， in the actual 3D modeling process of irregular buildings， 3D laser scanning is limited by various aspects such as perspective， and there are problems such as model missing. Compared to 3D laser scanning， UAV tilt photography technology has stronger model integrity， but overall accuracy is poor. To significantly improve the accuracy of 3D modeling of irregular buildings， this paper integrates the two measurement and modeling technologies. Taking the “Bird's Nest” as a typical example of irregular buildings， through data collection and analysis， the accuracy of individual and integrated modeling is studied， in order to provide new methods and ideas for 3D modeling of irregular buildings.

Keywords： 3D laser scanning; UAV tilt photography technology; irregular building; 3D modeling

0? 引? 言

伴隨著社會(huì)及科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，二維數(shù)據(jù)已無法滿足社會(huì)發(fā)展需求，三維建模憑借直觀、便捷、紋理清晰等優(yōu)勢(shì)被逐漸應(yīng)用在建筑建模構(gòu)建中。三維激光掃描、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是最為常用的異形建筑三維建模方法。在實(shí)際三維建模過程中，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)存在高效、低成本等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在建模精度不夠、內(nèi)部建模、測量困難等缺陷。同樣，三維激光掃描在實(shí)際建模過程中存在精度高、可開展內(nèi)部建模、測量等優(yōu)勢(shì)，但亦存在建模完整性缺失等缺陷。將兩種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種技術(shù)存在“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”這一特點(diǎn)。基于此，為提升異形建筑三維建模精度，本文深入開展基于三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)異形建筑三維建模的融合應(yīng)用研究。

1? 三維激光掃描原理

三維激光掃描是基于激光測距原理，應(yīng)用三維激光掃描儀器測量物體表面三維坐標(biāo)的建模技術(shù)。其原理是：由三維激光掃描儀器的激光發(fā)射組間發(fā)出多道光束，借助光束經(jīng)三維激光掃描儀器內(nèi)部高精度計(jì)量裝置，記錄光束在出射點(diǎn)位、反射點(diǎn)位的往返時(shí)間（ΔT），并對(duì)縱向、橫向垂直掃描角度（α）進(jìn)行計(jì)算，最終得到物體表面三維坐標(biāo)[1]。一般來說，在三維激光掃描設(shè)備中存在一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，以光束出射點(diǎn)為坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，以Z軸為縱向方向，X軸在水平面上與Z軸相垂直。在建模過程中，可以用下面的公式來計(jì)算被測量對(duì)象的P坐標(biāo)[2]：

基于三維激光掃描技術(shù)還可獲得反射系數(shù)、傾斜距離、紋理等物理信息，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多點(diǎn)測量與掃描。獲取目標(biāo)三維坐標(biāo)、反射率、傾斜距離、紋理等空間信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件生成目標(biāo)三維“點(diǎn)云”模型。在此基礎(chǔ)上，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行變形監(jiān)測、區(qū)域測量、地形測量、三維建模等[3]。

2? 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)原理是指在同一飛行平臺(tái)中應(yīng)用多臺(tái)傳感器，分別從垂直、傾斜等多個(gè)角度對(duì)建筑物影像進(jìn)行采集，以此來獲得更為完整的建筑物物體表面信息。其中垂直角度獲取的影像為正片，傾斜角度獲取的影像為斜片。利用多角度采集建筑物表面信息，再配合影像POS信息等，促使影像上每一個(gè)點(diǎn)位均具有三維坐標(biāo)，并依據(jù)影響數(shù)據(jù)針對(duì)任意點(diǎn)位展開測量，進(jìn)而獲取并生成最終三維地理信息模型[4，5]。

3? 典型案例分析

3.1? “鳥巢”概況

本文選取“鳥巢”作為典型案例，“鳥巢”由鏤空鋁板、玻璃共同構(gòu)成，建筑結(jié)構(gòu)為巨大的門式剛架結(jié)構(gòu)，是國內(nèi)最具代表性的異形建筑，如圖1所示。

3.2? 兩種點(diǎn)云獲取

本文選用FARO Focus3D X330三維激光掃描儀，在10、25 m時(shí)掃描儀反射率為90%、10%，掃描儀誤差均為2 mm?！傍B巢”周圍結(jié)構(gòu)地形較為復(fù)雜，對(duì)于三維激光掃描測站的要求較高。測站越多易造成較大誤差，在掃描儀架設(shè)過程中，需確保前后兩個(gè)測站間至少存在3個(gè)可通視的高差靶球，其半徑應(yīng)控制在0.072 5 m。借助FARO SCENE軟件針對(duì)點(diǎn)云中心靶球進(jìn)行提取并拼接，經(jīng)降噪、剪裁等處理后，構(gòu)建三維模型如圖2所示。由圖2可知，由于“鳥巢”本身構(gòu)造較為獨(dú)特，經(jīng)三維激光掃描“鳥巢”構(gòu)建的云點(diǎn)圖存在一定的缺失現(xiàn)象，如頂部、底部、中層均出現(xiàn)了大片結(jié)構(gòu)缺失。由此可見，三維激光掃描“鳥巢”構(gòu)建的云點(diǎn)圖存在一定缺陷。

本文選用DJI Matrice 600 Pro無人機(jī)開展無人機(jī)傾斜攝影，由無人機(jī)搭載五個(gè)傾斜攝影相機(jī)，傳感器型號(hào)為SONY DSC-QX100，尺寸為13.2 m，焦距為10.4 mm，像素為2 020萬，分辨率為5 472×3 648，每3 s拍攝一次，攝影時(shí)間為25 min。針對(duì)“鳥巢”周圍2.5 hm2范圍實(shí)施無人機(jī)傾斜攝影，將航高設(shè)定為90 m，航向、旁向重疊度設(shè)定為90%與80%，最終獲取不少于1 200張影片。隨后借助Smart3D Capture軟件進(jìn)行建模，最終得到“鳥巢”云點(diǎn)圖，如圖3所示。

3.3? 兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

由圖1可知，俯視角度，在三維激光掃描過程中“鳥巢”建筑外層玻璃發(fā)生則折射最終會(huì)影響建模表面精度，為此在兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合過程中需要將此類精度低的部分予以剔除。由圖2可知，顯而易見無人機(jī)傾斜攝影可較為完整的保留“鳥巢”頂部信息，但在圖像中卻缺失了“鳥巢”表面弧度，且由于“鳥巢”建筑并不規(guī)范，促使無人機(jī)傾斜攝影云點(diǎn)圖接近地面的部分存在數(shù)據(jù)空洞、變形嚴(yán)重等問題，為此需要將此類缺陷部分予以剔除。

將兩種云點(diǎn)圖缺陷部分剔除后，對(duì)兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)加以融合，選取“鳥巢”特征較為明顯的點(diǎn)位，提取兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)的公共特征點(diǎn)位，借助平移、旋轉(zhuǎn)等處理手段，將點(diǎn)云模型加以匹配最終得出完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖，如圖4所示。

圖4中黑色點(diǎn)位為三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的公共特征點(diǎn)位，灰色點(diǎn)位為無人機(jī)傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)的公共特征點(diǎn)位。待兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合后，同樣需要關(guān)注空洞、變形等問題，對(duì)于未融合到位部分進(jìn)行剔除、剪裁，在確保三維建模精度的前提下，得出最終融合云點(diǎn)圖，如圖5所示。

3.4? 精度分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的兩種技術(shù)融合應(yīng)用在異形建筑三維建模中的優(yōu)越性及可行性，本文從點(diǎn)云建模精度方面展開分析，具體如下：

三維模型最終精度同光照、建筑物材質(zhì)等密切相關(guān)。其中，三維激光掃描得出的點(diǎn)云模型會(huì)受到儀器本身精度、參考標(biāo)靶、數(shù)據(jù)拼接等技術(shù)影響。無人機(jī)傾斜攝影得出的點(diǎn)云模型會(huì)受到無人機(jī)攝影高度、鏡頭分辨率、航線規(guī)劃等影響。此外，人為因素同樣會(huì)影響兩種技術(shù)生成點(diǎn)云模型的精度。

為驗(yàn)證兩種建模技術(shù)及兩種技術(shù)融合建模的最終精度，在精度分析中本文將公共特征點(diǎn)距離作為主要指標(biāo)，分別測量并計(jì)算兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離并進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表1所示。

由表1可知，兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離誤差處于0.01～0.03 m，本文對(duì)公共特征點(diǎn)進(jìn)行解算并展開匹配，發(fā)現(xiàn)平均誤差為0.01 m。充分考慮測量目標(biāo)“鳥巢”建筑的特殊性，此次測量精度良好，兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離誤差可滿足異形建筑三維建模的精度要求。若想要達(dá)到更高的三維建模精度，需要持續(xù)改善兩種技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集精度，將兩種技術(shù)融合應(yīng)用在“鳥巢”三維建模中，計(jì)算融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離，并將其同實(shí)際公共特征點(diǎn)距離進(jìn)行比較，并計(jì)算誤差值。如表2所示。

由表2可知，融合后點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離誤差在0.010～0.015 m之間，平均精度誤差在0.015 m內(nèi)，與兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離誤差相比，融合后得出的云數(shù)據(jù)公共特征點(diǎn)距離誤差更低，精度更高。由此可見，將三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)融合應(yīng)用在異形建筑三維建模中可有效提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，此種精度可滿足大多數(shù)建筑物的三維建模精度需求。

3.5? 視覺效果分析

在確保三維建模精度的前提下，視覺效果在異形建筑三維建模過程中應(yīng)得到充分重視。

3.5.1? 三維激光掃描視覺效果

三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)靈活、實(shí)時(shí)性好、精確到毫米量級(jí)、自動(dòng)化水平相當(dāng)高，不會(huì)出現(xiàn)地表變形、空洞等現(xiàn)象，點(diǎn)云分布比較均勻，視覺效果較好。但是也存在著一些缺陷，例如：不能對(duì)高樓頂端進(jìn)行掃描，造成點(diǎn)云模型缺少高樓頂端的位置信息以及數(shù)據(jù)冗余[6]。在“鳥巢”三維建模中，受到“鳥巢”建材特定的影響，在三維激光掃描過程中獲得了大量冗余數(shù)據(jù)，不僅會(huì)影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，同時(shí)會(huì)降低三維建模視覺效果。

3.5.2? 無人機(jī)傾斜攝影視覺效果

無人機(jī)傾斜攝影測量具有多角度、大尺度、高清晰度、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可快速、便捷地獲取地表正片圖像和地表表面紋理信息。在此基礎(chǔ)上，利用高效的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以迅速地實(shí)現(xiàn)城市的三維重建。但是，該技術(shù)也存在著一定的缺陷，例如：對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、玻璃材質(zhì)等比較特殊的建筑，無人機(jī)的傾斜攝影測量效果仍然不理想；在建筑曲線較大的地方，很容易出現(xiàn)空洞、變形等問題；同時(shí)，由于被測對(duì)象周邊建筑的影響，拍攝角度可能會(huì)出現(xiàn)遮擋等問題。所以，在測量對(duì)象周圍開闊，沒有明顯遮擋，測量范圍大的情況下，采用無人駕駛飛機(jī)傾斜照相測量方法對(duì)其進(jìn)行三維建模是非常合適的，但如果對(duì)象是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的異形建筑物，這種方法就有一定的限制，如圖6所示。

3.5.3? 融合應(yīng)用視覺效果

基于上述分析，發(fā)現(xiàn)單純應(yīng)用三維激光掃描、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的視覺效果均存在一定局限。本文將二者融合應(yīng)用在異形建筑三維建模中，將兩種技術(shù)建模優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可呈現(xiàn)良好的三維建模視覺效果。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，本文將“鳥巢”作為典型的異形建筑案例，發(fā)現(xiàn)無論是三維激光掃描技術(shù)還是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在異形建筑三維建模方面存在一定缺陷。為彌補(bǔ)此類缺陷，本文將三維激光掃描技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)相融合，經(jīng)精度對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)將三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)融合應(yīng)用在異形建筑三維建模中可有效提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，經(jīng)視覺效果分析發(fā)現(xiàn)，二者相融合的三維建模視覺效果明顯優(yōu)于單純應(yīng)用單一技術(shù)建模的視覺效果。由此可見，可將三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)融合應(yīng)用在異形建筑三維建模中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 經(jīng)皓然，徐敬海.異形建筑的無人機(jī)點(diǎn)云與地面三維激光掃描點(diǎn)云配準(zhǔn) [J].測繪通報(bào)，2022（6）：32-39.

[2] 裴建隆.基于三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)異形建筑三維建模的融合應(yīng)用[J].江西科學(xué)，2021，39（6）：1060-1064.

[3] 宋洪英，曹坤，閆曉楠.基于三維激光掃描的高層建筑建模研究 [J].粘接，2021，47（8）：123-126.

[4] 田澤海，楊友生，宋康明.三維激光掃描技術(shù)在異形建筑規(guī)劃條件核實(shí)測量中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2021，19（5）：81-84+5.

[5] 李曉華，張茹.激光掃描技術(shù)在中國古代建筑精細(xì)測繪中的應(yīng)用——以西安鐘樓三維建模及精細(xì)測繪項(xiàng)目為例 [J].北京測繪，2021，35（5）：678-683.

[6] 佘智淵.基于三維激光掃描的校園建筑三維建模 [J].甘肅科技，2020，36（16）：114-118.

作者簡介：張津瑞（1994—），男，漢族，甘肅白銀人，助理工程師，本科，主要研究方向：測繪、地理信息等。

收稿日期：2023-04-08