三維激光掃描與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)融合的建模效果研究

魯逸驍

（陜西地礦漢中地質(zhì)大隊(duì)有限公司，陜西 漢中 723000）

低空無(wú)人機(jī)技術(shù)近年來得到了廣泛應(yīng)用，也帶動(dòng)了傾斜攝影三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)攝影測(cè)量相比，傾斜攝影可通過多個(gè)角度獲取影像信息，還能夠通過多個(gè)視角多個(gè)維度詳細(xì)地觀察地表地物，真實(shí)地反映出所攝物體的具體情況，為實(shí)景三維建模提供可靠信息支持。聯(lián)合配套軟件平臺(tái)，可對(duì)正射影像技術(shù)的數(shù)據(jù)信息加以彌補(bǔ)，通過批量自動(dòng)映射紋理，能夠調(diào)整各項(xiàng)數(shù)據(jù)，有效節(jié)省了三維建模資源，目前傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。但是如果建筑底部存在遮擋嚴(yán)重區(qū)域，則無(wú)法保證建模效果，也會(huì)降低模型的精度，難以滿足用戶的需求。三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，包含著不同的搭載平臺(tái)與工作場(chǎng)景，包括機(jī)載、地面、車載等多種模式。在激光掃描技術(shù)的支持下，可獲得高密度點(diǎn)云，通過獲取影像紋理，采取后期處理技術(shù)，可獲得精度更高的三維模型，目前在數(shù)字礦山、河道治理、水利工程、文物保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

1 概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量方法，是主動(dòng)式測(cè)量技術(shù)的一種，也被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，具有高效率、高精度的特征，在惡劣的觀測(cè)條件下，也可以完成外業(yè)掃描，實(shí)現(xiàn)快速、大面積的地獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理形成三維激光點(diǎn)云在高密度點(diǎn)云的支持下，可形成三角網(wǎng)，完成數(shù)字表面模型的建立，而在激光掃描儀上為內(nèi)置或外接同軸數(shù)碼相機(jī)，通過拍攝影像，點(diǎn)云附上真彩色，最終所呈現(xiàn)出的數(shù)字表面模型，能夠呈現(xiàn)出更為真實(shí)的物體場(chǎng)景。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用操作更為簡(jiǎn)單快捷，而且操作更為安全，能獲得精度更高的影像信息，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率的全面提升，還能夠減輕工作人員的勞動(dòng)壓力，使得生產(chǎn)效率不斷提高，目前在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用也存在不足，比如，在掃描高層建筑物頂部時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)，相機(jī)的拍攝效果并不理想，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)效率較低。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)屬于三維模型構(gòu)建的重要手段，主要是通過無(wú)人機(jī)，搭載多角度的影像采集相機(jī)，可獲取更為精準(zhǔn)的紋理數(shù)據(jù)信息與定位信息，可保證三維建模效果。該技術(shù)成本更為低廉，不會(huì)受到人工干預(yù)的影響，采集效率較高，可獲得真實(shí)的視覺效果，目前在大場(chǎng)景實(shí)景的三維模型建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際使用過程中，可能會(huì)受到數(shù)據(jù)處理、算法、環(huán)境、天氣、航高等多種因素的限制與影響，使得三維模型重建存在空洞、拉花等缺陷，尤其是如若存在多種紋理覆蓋情況時(shí)，或者地形起伏較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致傾斜影像自動(dòng)匹配難度相對(duì)較大，如若飛行器姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)也可能會(huì)引起誤差，導(dǎo)致建筑物側(cè)面或底部模型粘連，無(wú)法保證建模效果。如若單體建筑三維模型存在缺陷的，可通過人工修復(fù)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，但如果屬于大場(chǎng)景建模的，通過人工優(yōu)化的方式，可能會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加人力成本，而且可能無(wú)法滿足項(xiàng)目的生產(chǎn)需求，致使三維建模效率降低，無(wú)法保障三維建模質(zhì)量。

1.3 技術(shù)融合的優(yōu)勢(shì)

使用單一的數(shù)據(jù)源，在構(gòu)建實(shí)景三維模型時(shí)，雖然不同的技術(shù)能夠展現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，卻無(wú)法滿足項(xiàng)目對(duì)三維信息的基本需求。將三維激光掃描與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)融合，能夠彌補(bǔ)使用單一數(shù)據(jù)源存在的缺陷與不足，使得建立模型的效果得以強(qiáng)化，保證模型建立的可行性，提高模型的精度與質(zhì)量。在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)上，使用激光掃描技術(shù)，既能夠融合空中無(wú)人機(jī)影像獲取的優(yōu)勢(shì)，也能夠?qū)崿F(xiàn)與三維激光點(diǎn)云的融合，使得最終獲得的坐標(biāo)信息更加全面、完善，真實(shí)地展現(xiàn)出地表物體情況，實(shí)現(xiàn)三維建模精度的不斷增高。

2 融合建模流程設(shè)計(jì)

獲取融合數(shù)據(jù)以后需要加以處理，如若為機(jī)載激光雷達(dá)的，還應(yīng)當(dāng)提前準(zhǔn)備好航行數(shù)據(jù)，確定二者的坐標(biāo)系保持一致，如果出現(xiàn)不一致的情況，需要先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[2]。將航跡與激光點(diǎn)云坐標(biāo)相匹配，最終獲得的數(shù)據(jù)信息可導(dǎo)入配套軟件中，并進(jìn)行配準(zhǔn)操作，隨后準(zhǔn)備建模。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，需要將數(shù)碼相機(jī)放置在無(wú)人機(jī)上，在獲取影像數(shù)據(jù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度去拍攝地表對(duì)象，并在進(jìn)行匹配時(shí)，聯(lián)合地表同名點(diǎn)坐標(biāo)加以操作，從而保證能夠盡快獲得地表三維數(shù)據(jù)。傾斜攝影測(cè)量主要數(shù)據(jù)的是JPG 圖片，在軟件平臺(tái)的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)空三加密，聯(lián)合密集匹配算法，可對(duì)影像的透明點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)匹配，結(jié)合特征點(diǎn)，構(gòu)建密集云。

密集匹配環(huán)節(jié)，可獲取較大數(shù)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而此類數(shù)據(jù)可用于與傾斜攝影與三維激光的密集點(diǎn)云融合，通過提高三維激光點(diǎn)云的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)三維激光技術(shù)對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)捕捉不足的彌補(bǔ)，使用空中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，能夠彌補(bǔ)三維激光頂部掃描盲區(qū)的不足，彌補(bǔ)視角存在限制的缺陷，在兩種技術(shù)方法的融合下，能夠提高三維建模的精準(zhǔn)度，還能夠避免出現(xiàn)局部拉花效應(yīng)，改善底部問題。聯(lián)合使用三維激光技術(shù)，可保障三維坐標(biāo)的精準(zhǔn)度，不需再進(jìn)行外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)，顯著降低了勞動(dòng)成本，提高了作業(yè)效率。

3 融合建模實(shí)施過程

3.1 地面激光掃描及數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)可獲取真實(shí)的定義坐標(biāo)，主要涉及兩種方法：其一，在布設(shè)部分測(cè)站時(shí)，需要聯(lián)合已知控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)中整平，隨后進(jìn)行掃描；其二，在獲取點(diǎn)云內(nèi)業(yè)控制點(diǎn)時(shí)，可選擇精細(xì)掃描已知坐標(biāo)的標(biāo)靶。標(biāo)靶坐標(biāo)的獲取，也可從兩個(gè)方向分別展開：其一，可在已知控制點(diǎn)上布設(shè)標(biāo)靶架；其二，在已知控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，通過全站儀測(cè)量獲得更為精準(zhǔn)的標(biāo)靶坐標(biāo)。在使用三維激光掃描儀時(shí)，可以與GNSS 設(shè)備相連接，在雙頻GNSS 設(shè)備的支持下，可獲得精準(zhǔn)的測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。而在使用三維激光掃描時(shí)，如若屬于無(wú)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)站與測(cè)站之間需要處于同一公共面，從而實(shí)現(xiàn)不同測(cè)站點(diǎn)云在內(nèi)業(yè)處理時(shí)可有效拼接[3]。以Riegl-VZ400 為例，本設(shè)備屬于常見的三維激光掃描儀，內(nèi)部是有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可精準(zhǔn)地獲得姿態(tài)，位置應(yīng)用于外業(yè)掃描中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接，如若拼接失敗，可選擇手動(dòng)配準(zhǔn)拼接，拼接完成以后，可進(jìn)行濾波、抽稀處理點(diǎn)云，使得點(diǎn)云的處理效果得以保障。掃描儀的應(yīng)用，需要先保障各測(cè)站能夠精準(zhǔn)掃描各地物點(diǎn)信息，從而使得測(cè)站數(shù)量減少，還能夠提高外業(yè)掃描效率。掃描時(shí)還可結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，科學(xué)設(shè)置數(shù)據(jù)采樣頻率與點(diǎn)云密度，實(shí)現(xiàn)一鍵掃描。

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模

地面激光掃描能夠?qū)崿F(xiàn)高精度重建測(cè)區(qū)底部數(shù)字表面模型（DSM），但是對(duì)于測(cè)區(qū)高處，比如建筑頂部常出現(xiàn)掃描盲區(qū)的情況，所以地面激光掃描數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)紋理失真的情況，使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影，能夠在空中通過多個(gè)角度進(jìn)行俯拍，所獲取的影像紋理真實(shí)性更高、分辨率更高，對(duì)地面激光掃描技術(shù)的不足起到了有效的補(bǔ)充作用。為了實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的全面融合，在使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)時(shí)，需要保障各個(gè)階段能夠嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，主要涉及航線設(shè)計(jì)、像控布設(shè)、多視影像空三加密、密集匹配等方面。

航線設(shè)計(jì)方面，需要根據(jù)建筑主體的朝向以及日常方向，科學(xué)布置航線，航線主要以井字型航線為主，并使其與測(cè)距橫縱線方向一致，在布設(shè)航線時(shí)，還需要綜合考慮地形環(huán)境等因素，防止地形高度影響航線的方向，保障飛行安全。為了保證建模效果及其精準(zhǔn)度，在確定各視角時(shí)，其地面分辨率應(yīng)當(dāng)超過2cm，在輻射航線時(shí)航向重疊度應(yīng)大于80%，旁向重疊度應(yīng)大于70%。為了保障攝區(qū)紋理清晰，拍攝完整，航線航向覆蓋應(yīng)超出測(cè)區(qū)邊界8～10 條航線，而在旁向覆蓋應(yīng)超出測(cè)區(qū)邊界3～5 條航線，航線至少應(yīng)高出攝區(qū)制高點(diǎn)50m[4]。

在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，布設(shè)位置包括測(cè)距范圍內(nèi)的邊角點(diǎn)，其余只需要根據(jù)具體的控制點(diǎn)要求，保障其均勻分布，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離應(yīng)當(dāng)在250～300m 之間。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地形條件科學(xué)布點(diǎn)，在布設(shè)各個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇地物處明顯區(qū)域、交角良好的地物交點(diǎn)處。而在地表位置布設(shè)相控點(diǎn)時(shí)，如若存在特殊的情況，可先將其選擇放置在構(gòu)筑物的拐角位置處。

密集匹配方面，需要空三加密傾斜攝影數(shù)據(jù)以及外業(yè)相控測(cè)量數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備進(jìn)行密集匹配和空三加密環(huán)節(jié)，然后對(duì)攝區(qū)影像進(jìn)行加載，結(jié)合具體的布控要求，適當(dāng)?shù)卦黾涌刂泣c(diǎn)，根據(jù)光束法區(qū)域網(wǎng)最終的整體平差，可選取相片中的光線，作為平差單元，而在確定基礎(chǔ)方程時(shí)，可將中心投影共線方程作為主要選擇，在實(shí)際操作過程中，可獲得公共光線的最佳交匯點(diǎn)并將其應(yīng)用到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，可獲得整體區(qū)域最佳點(diǎn)，從而精準(zhǔn)地恢復(fù)地物間位置關(guān)系，使用高精度影像匹配算法，通過自動(dòng)匹配影像數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)，可獲得更豐富的特征點(diǎn)，為構(gòu)建密集點(diǎn)云提供支持，使得各地物的細(xì)節(jié)能夠精確地表達(dá)出來。

3.3 三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在航空影像中，在密集匹配環(huán)節(jié)，可獲得豐富密集點(diǎn)云，此類點(diǎn)云可融合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但在數(shù)據(jù)融合前，需要注意不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式需要保持一致性，一般會(huì)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云通用格式*.las。三維激光點(diǎn)云較傾斜攝影技術(shù)相比，精度更高，所以在配準(zhǔn)融合兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，需要以三維激光點(diǎn)云作為基準(zhǔn)，采用迭代最鄰近點(diǎn)配準(zhǔn)法（人工配準(zhǔn)與ICP 算法結(jié)合）的方式，將三維激光與傾斜攝影密集點(diǎn)云加以配準(zhǔn)融合，使最終所獲得的點(diǎn)云模型精度更高[5]。

3.4 模型建立及結(jié)果分析

融合點(diǎn)云模型來源于數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)，通過空中三角測(cè)量建立影像間的三角關(guān)系，可形成不規(guī)則三角網(wǎng)，再由不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成白模，在軟件計(jì)算下，可聯(lián)合傾斜影像中的數(shù)據(jù)信息，通過計(jì)算與分析，最終得出紋理，并將紋理自動(dòng)映射到對(duì)應(yīng)白模上，形成更為真實(shí)的三維場(chǎng)景。在完成紋理映射與白模建立以后，需要對(duì)三維模型效果加以評(píng)價(jià)，對(duì)比單一使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)與激光點(diǎn)云融合之后，所建立的三維模型墻面的平整度更好，還可改善底部效應(yīng)，減弱拉花現(xiàn)象，最終模型效果明顯得到了優(yōu)化。

4 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

第一，在融合傾斜攝影點(diǎn)云與地面三維激光掃描點(diǎn)云過程中，為了保證兩種點(diǎn)云的匹配尺度相一致，獲取更為良好的融合效果，需要確保傾斜攝影影像的分辨率與激光點(diǎn)云密度相同。

第二，傾斜影像的點(diǎn)云需要按照項(xiàng)目的質(zhì)量要求，對(duì)其密度與精度進(jìn)行提取，必要的情況下，可根據(jù)激光點(diǎn)云所獲取的定位信息加以處理。但如果兩種點(diǎn)云最終的精度存在顯著差異，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的有效融合，此時(shí)模型紋理可能會(huì)出現(xiàn)拉花與重影。

第三，注意地面激光掃描儀的擺放，需要在既定的需求與標(biāo)準(zhǔn)下合理擺放，同時(shí)要科學(xué)設(shè)置水平角與豎直角范圍，不可發(fā)生地物遮擋等問題，保障掃描的全面性[6]。另外，要確保掃描參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，如掃描密度、相機(jī)參數(shù)與發(fā)射頻率等。

第四，在對(duì)各點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行單站點(diǎn)定位時(shí)，需要先對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行北方向定位，隨后再進(jìn)行掃描，否則該站數(shù)據(jù)可能無(wú)法保證定位的準(zhǔn)確度，使得多站點(diǎn)校正過程中，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在三維建模中，將三維激光掃描機(jī)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相融合，可有效改善三維模型建模的綜合效果，提高建模的精準(zhǔn)度，而且還能夠避免在使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)時(shí)，進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)，顯著減少了外業(yè)工作人員的工作量，提高了建模效率。但是兩項(xiàng)技術(shù)的融合，需要注意比如針對(duì)個(gè)別位置紋理失真的情況。而且地面激光掃描儀需要搬站，與車載激光掃描儀相比，工作量相對(duì)較大，未來可深入探究如何實(shí)現(xiàn)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的融合，以提高工作效率。