多源數(shù)據(jù)融合的高層建筑物三維建模研究

王宗輝 溫世林

1.?甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院??甘肅天水??741020；2.天水市自然資源勘測(cè)規(guī)劃研究院有限公司??甘肅天水??741000?摘??要：隨著無人機(jī)的大規(guī)模普及，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但是由于其技術(shù)特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集過程中受角度、遮蔽等因素的影響，導(dǎo)致三維模型極易出現(xiàn)拉花、扭曲等問題?；诖耍接懥巳诤蠙C(jī)載LiDAR、地面數(shù)據(jù)采集和傾斜攝影技術(shù)的方法，以提高高層建筑物三維建模的精度和細(xì)節(jié)。機(jī)載LiDAR技術(shù)通過激光雷達(dá)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提供建筑物的幾何形狀和細(xì)節(jié)信息，傾斜攝影技術(shù)可以提供建筑物紋理信息，與機(jī)載LiDAR技術(shù)結(jié)合可以提高建模的真實(shí)感和精度。點(diǎn)面三維激光掃描儀能夠有效補(bǔ)充前兩項(xiàng)技術(shù)的缺失，補(bǔ)充細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。研究融合三種數(shù)據(jù)源的信息，綜合利用它們的優(yōu)勢(shì)，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù)??融合??三維建模??數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：P23

Research?on?the?3D?Modeling?of?High-Rise?Buildings?Based?on?Multi-Source?Data?Fusion

WANG?Zonghui1??WEN?Shilin2*

（1.Gansu?Forestry?Polytechnic，?Tianshui，?Gansu?Province，?741020?China;?2.Tianshui?Natural?Resources?Survey?and?Planning?Institute?Co.，?Ltd.，?Tianshui，?Gansu?Province，?741000?China）

Abstract：?With?the?widespread?use?of?unmanned?aerial?vehicles，?the?application?of?oblique?photogrammetry?technology?is?becoming?more?and?more?extensive.?However，?due?to?its?technical?characteristics，?it?is?affected?by?factors?such?as?angles?and?occlusion?during?data?acquisition，?resulting?in?issues?such?as?distortion?and?warping?in?3D?models.?Therefore，?this?paper?explores?the?method?of?integrating?airborne?LiDAR，?ground?data?collection?and?oblique?photogrammetry?technologies?to?improve?the?accuracy?and?detail?of?the?3D?modeling?of?high-rise?buildings.?Airborne?LiDAR?technology?uses?laser?scanning?to?obtain?point?cloud?data，?and?provide?the?geometric?shape?and?detail?information?of?buildings.?Oblique?photogrammetry?technology?can?provide?the?texture?information?of?buildings，?and?the?combination?of?it?and?airborne?LiDAR?technology?can?improve?the?realism?and?accuracy?of?modeling.?Terrestrial?3D?laser?scanners?can?effectively?supplement?the?deficiencies?of?the?previous?two?technologies?and?supplement?detailed?data.?This?study?integrates?information?from?three?data?sources?and?comprehensively?utilizes?their?advantages，?so?as?to?provide?more?accurate?and?reliable?data?support?for?urban?planning，?construction?and?management.

Key?Words：?Multi-source?data;?Fusion;?3D?modeling;?Data?processing

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和城市建筑的快速發(fā)展，高層建筑物的三維建模成為了城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的重要工具。機(jī)載LiDAR技術(shù)作為一種高精度、高效率的數(shù)據(jù)采集方法，在高層建筑物三維建模中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

機(jī)載LiDAR技術(shù)通過激光雷達(dá)掃描地面和建筑物，能夠獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供建筑物的幾何形狀和細(xì)節(jié)信息，具有較高的精度和全面性。因此，機(jī)載LiDAR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高層建筑物的三維建模、變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域。然而，在高層建筑物三維建模過程中，機(jī)載LiDAR技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，機(jī)載LiDAR技術(shù)在建筑物表面存在遮擋和反射問題，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不完整和噪聲增加[2]。其次，由于建筑物的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和處理也面臨一定的困難。此外，機(jī)載LiDAR技術(shù)無法提供建筑物的紋理信息，導(dǎo)致建模結(jié)果缺乏真實(shí)感。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究如何融合其他數(shù)據(jù)源和技術(shù)，提高高層建筑物三維建模的精度和細(xì)節(jié)。傾斜攝影技術(shù)作為一種能夠提供建筑物紋理信息的方法，可以與機(jī)載LiDAR技術(shù)相結(jié)合，共同用于高層建筑物三維建模。地面三維激光掃描儀主要是在建筑物嚴(yán)重遮蔽區(qū)域，能夠通過地面采集數(shù)據(jù)，對(duì)以上兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行有效補(bǔ)充。這種融合方法可以充分利用3種數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)，提高建模的真實(shí)感和精度。本文研究如何融合空-地LiDAR、傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，以改進(jìn)高層建筑物三維建模的精度和細(xì)節(jié)。通過綜合利用兩種數(shù)據(jù)源的信息，提高建模的真實(shí)感和精度，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

1??技術(shù)說明

1.1?機(jī)載LiDAR技術(shù)

機(jī)載LiDAR技術(shù)在地理信息系統(tǒng)（GIS）、地形測(cè)量、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。它可以快速獲取大范圍的地形數(shù)據(jù)，用于地形建模、地質(zhì)勘探和災(zāi)害監(jiān)測(cè)。同時(shí)，機(jī)載LiDAR技術(shù)也可以用于建筑物三維建模、道路和鐵路設(shè)計(jì)、植被分類等應(yīng)用。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)是一種通過激光束掃描地面或其他目標(biāo)物體，測(cè)量其距離和形狀的遙感技術(shù)。與被動(dòng)遙感技術(shù)相比，機(jī)載LiDAR是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，可以提供高分辨率的地形和物體形狀信息，非常適合需要高精度數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域[3]?？梢钥焖佾@取大范圍的地形數(shù)據(jù)。通過激光束的掃描和接收，可以在很短的時(shí)間內(nèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率。數(shù)據(jù)采集不受光照條件的限制。無論是白天還是夜晚，甚至在云霧覆蓋的情況下，都可以正常工作，不會(huì)受到光照強(qiáng)度和光照角度的影響?？梢垣@取目標(biāo)物體的三維信息。通過掃描和接收激光束，可以獲取地面和物體的高程、形狀和紋理等信息，可以用于三維建模、地形分析和目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用。

機(jī)載LiDAR技術(shù)主要的問題是昂貴的設(shè)備和數(shù)據(jù)處理成本，數(shù)據(jù)處理也需要進(jìn)行濾波、去噪和特征提取等操作，以提取有效的信息。機(jī)載LiDAR技術(shù)在云霧、雨雪和濃霧等惡劣天氣條件下的性能會(huì)受到影響。

1.2?地面激光掃描技術(shù)

地面激光掃描技術(shù)（Ground-based?LiDAR）是一種利用激光束掃描地面或目標(biāo)物體，測(cè)量其距離和形狀的遙感技術(shù)。它通過激光器發(fā)射激光束，然后接收激光束的反射信號(hào)，通過測(cè)量激光束的時(shí)間和空間信息，可以獲得地面和物體的三維形狀和位置信息。

地面激光掃描技術(shù)主要的優(yōu)勢(shì)是可以提供高精度和高分辨率的地面和物體形狀信息。地面激光掃描技術(shù)具有靈活性和可控性?？梢愿鶕?jù)需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行選擇性掃描，通過調(diào)整激光束的掃描范圍和角度，可以選擇性地獲取感興趣區(qū)域的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)采集的效率。地面激光掃描技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，測(cè)量范圍有限。由于激光束的能量衰減和散射，地面激光掃描技術(shù)在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)會(huì)受到限制。較大范圍的測(cè)量，可能需要多個(gè)掃描點(diǎn)進(jìn)行組合。地面激光掃描技術(shù)在遇到遮擋物時(shí)會(huì)受到影響。目標(biāo)物體被其他物體遮擋會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或不準(zhǔn)確。此外，地面激光掃描技術(shù)對(duì)地面條件有一定的依賴性。

1.3?傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是一種利用傾斜攝影機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量的技術(shù)，它通過將攝影機(jī)安裝在航空器上，通過控制飛機(jī)的飛行軌跡和攝影機(jī)的傾角和方向，以一定的傾角和方向拍攝地面，對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行解析，以生成最終的地理信息產(chǎn)品。傾斜攝影測(cè)量相比于傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量，可以提供更多的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確的地面形狀信息。采用裸眼測(cè)圖方法大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間和人力成本，也能提供更直觀的三維重建和可視化[4]。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，處理過程相對(duì)復(fù)雜，在惡劣的天氣條件下，如雨雪等，攝影的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的可用性可能會(huì)受到影響。

2?多源數(shù)據(jù)融合思路

2.1?融合思路

雖然3種技術(shù)精度都滿足各種項(xiàng)目的應(yīng)用，但是由于技術(shù)的單一性，三維模型會(huì)出現(xiàn)模型扭曲、模型缺失及紋理扭曲等問題，無法提供完美的三維模型，極大地影響了使用效果，通過“機(jī)載LiDAR+地面三維掃描+傾斜攝影測(cè)量”三方技術(shù)融合，提升三維建模效果的思路。主要是利用無人機(jī)航線設(shè)計(jì)，構(gòu)建合理的重疊度，優(yōu)化航線設(shè)計(jì)，優(yōu)化同名影像點(diǎn)，利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助傾斜攝影測(cè)量與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集，通過空三數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的融合，在融合過程中，充分利用多種數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，最終提升傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景模型的精細(xì)化程度與精度。

2.2?技術(shù)路線

為了提高數(shù)據(jù)融合精度和三維模型精確性，外業(yè)傾斜攝影可采取分層航飛，同時(shí)，還可在高處航拍不到的隱蔽區(qū)域，進(jìn)行低空或地面補(bǔ)拍，構(gòu)建精細(xì)化三維實(shí)景模型，以此提高影像分辨率、三維模型精度與內(nèi)業(yè)采集精度。該過程涉及外業(yè)航飛部分與內(nèi)業(yè)增加連接點(diǎn)、空三部分，是一種不同航高、不同飛行器之間的數(shù)據(jù)空地融合過程。

3?工程實(shí)例

選取某高層建筑物進(jìn)行融合“機(jī)載LiDAR+地面三維掃描+傾斜攝影”技術(shù)的高層建筑物三維建模。該大樓地處城區(qū)，地上部分共22層，樓體總高度?68.5?m。大樓周邊高樓林立，樓體間的相互遮擋現(xiàn)象較為明顯。

3.1?數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是數(shù)據(jù)融合、三維建模的核心環(huán)節(jié)，無人機(jī)航測(cè)主要包括航線設(shè)計(jì)、影像數(shù)據(jù)采集、影像匹配、TIN構(gòu)建，紋理映射和三維模型生成等環(huán)節(jié)。根據(jù)數(shù)據(jù)采集要求，為了確保傾斜攝影測(cè)量的分辨率，本次無人機(jī)數(shù)據(jù)采集航高為80?m，航向與旁向重疊率分別設(shè)為80%、75%；為了提高影像數(shù)據(jù)匹配精度，有效提取影像特征點(diǎn)和匹配特征點(diǎn)，優(yōu)化特征點(diǎn)連接精度，在測(cè)區(qū)周圍設(shè)置6個(gè)像控點(diǎn)，坐標(biāo)系選用CGCS2000國家坐標(biāo)系，確保數(shù)據(jù)融合精度。

地面三維激光掃描儀測(cè)量是對(duì)建模結(jié)果優(yōu)化處理的重要途徑。根據(jù)測(cè)區(qū)情況，本次地面三維激光掃描使用思拓力X300，結(jié)合數(shù)據(jù)拼接要求，布設(shè)對(duì)應(yīng)標(biāo)靶點(diǎn)以提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)效率和精度。本次測(cè)量共完成8次儀器架設(shè)，點(diǎn)云重復(fù)率30%以上，相鄰儀器架設(shè)點(diǎn)標(biāo)靶點(diǎn)重復(fù)不少于3個(gè)，標(biāo)靶點(diǎn)距離儀器50?m以內(nèi)，數(shù)據(jù)處理采用思拓力Si-Scan二三維一體化軟件，采用同名點(diǎn)進(jìn)行測(cè)站之間的拼接，導(dǎo)入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)靶點(diǎn)快速拼接數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過程中，通過去噪方式消除數(shù)據(jù)采集過程中的冗余數(shù)據(jù)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較大，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，獲取建模數(shù)據(jù)。

根據(jù)作業(yè)區(qū)域特點(diǎn)，激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備選用思拓力機(jī)載LiDAR，具有高精度且穩(wěn)定可靠的GNSS/IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，水平絕對(duì)中誤差優(yōu)于5?cm，高程絕對(duì)中誤差優(yōu)于5?cm；具有較小的掃描分辨率與較高的掃描頻率，航線與傾斜攝影測(cè)量航線一致，以提高數(shù)據(jù)的匹配度。依據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)離散點(diǎn)在平面坐標(biāo)系中的（x，y）位置屬性，將正攝影像中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的像素灰度值賦予點(diǎn)云，使其富有光譜圖像紋理信息。

3.2??數(shù)據(jù)處理

3.2.1??點(diǎn)云配準(zhǔn)

為了提升數(shù)據(jù)融合效率，在數(shù)據(jù)處理前需要完成數(shù)據(jù)匹配。點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配是指將不同視角下獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，以消除視角變化和誤差，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間中對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確，依次建立三種數(shù)據(jù)的連接關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)的空間基準(zhǔn)。主要步驟具體如下。

（1）點(diǎn)云消冗。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)在測(cè)量過程中，受外部測(cè)量環(huán)境的影響及數(shù)據(jù)采集設(shè)置，數(shù)據(jù)冗余量較大，數(shù)據(jù)處理前首先需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行消冗處理，主要包括去噪和抽稀，只保留目標(biāo)建筑物范圍內(nèi)的點(diǎn)云。

（2）粗略配準(zhǔn)。數(shù)據(jù)匹配過程中，配準(zhǔn)的基本依據(jù)是對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)同名點(diǎn)，一般要求清晰的3對(duì)同名特征點(diǎn)，以便解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并將整體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一校正到CGCS2000坐標(biāo)系。

3.2.2?精確配準(zhǔn)

經(jīng)粗配準(zhǔn)過后，為提高點(diǎn)云的配準(zhǔn)精度，一般對(duì)其進(jìn)行精配準(zhǔn)。目前使用較多的是迭代最近點(diǎn)算法（Iterative?Cloest?Point，ICP）[5]。主要思路是：對(duì)于任意點(diǎn)云Pi、Pj，計(jì)算點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的最近點(diǎn)，利用迭代函數(shù)求解對(duì)應(yīng)參數(shù)，主要包括旋轉(zhuǎn)量R和平移量T。具體公式為：

式中，，通過迭代算法求解誤差最小數(shù)據(jù)，通過多次迭代，實(shí)現(xiàn)算法的最優(yōu)配置。

3.3?三維建模

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)三維建模主要包括空三加密、勻光勻色、影像糾正等任務(wù)[6]，傾斜攝影測(cè)量建模結(jié)果見圖2?？杖用苤饕墙Y(jié)合像控點(diǎn)坐標(biāo)采用多視匹配及密集匹配等技術(shù)計(jì)算外方位元素。由于拍攝角度和光線問題，無人機(jī)像片容易出現(xiàn)對(duì)比度、亮度、色調(diào)等問題，直接影響三維模型的效果，因此必須進(jìn)行勻光勻色處理，主要方法是Wallis?算法進(jìn)行色彩處理[7]。三維模型構(gòu)建過程中，通過同名點(diǎn)對(duì)所有像片進(jìn)行拼接，從而完成不規(guī)格三角形網(wǎng)格模型（TIN）構(gòu)建，通過紋理映射完成三維模型。

3.3.1?分區(qū)平差與聯(lián)合平差

為了提高建模精度，前期在數(shù)據(jù)處理過程中將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一空三解算。由于數(shù)據(jù)既包括傾斜攝影測(cè)量、機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，又包括地面測(cè)量數(shù)據(jù)，在本次數(shù)據(jù)解算過程中，前期分塊空三解算，后期聯(lián)合解算的作業(yè)方法，有效提升了數(shù)據(jù)處理的速度，最后開展三維建模。

3.3.2?紋理映射

完成TIN模型構(gòu)建以后白模見圖3，需要對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，通過任意三角形與紋理三角形完成對(duì)應(yīng)關(guān)系，篩選影像對(duì)應(yīng)的三角形，建立影響紋理與三維網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過共線方程，建立最佳的映射關(guān)系。?通過機(jī)載LiDAR及地面數(shù)據(jù)修復(fù)陰影部分，尤其是模糊的邊界模型，提升實(shí)景三維模型的真實(shí)感，建模效果見圖4。

4?結(jié)語

本文以機(jī)載LiDAR、無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、地面三維掃描等多源數(shù)據(jù)融合開展高精度三維建模，主要提出通過分區(qū)與聯(lián)合平差的思路融合多源數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物大樓進(jìn)行高精度三維建模實(shí)驗(yàn)，通過傾斜攝影測(cè)量等多源數(shù)據(jù)融合，機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和地面三維激光掃描數(shù)據(jù)能夠改變傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)建模的弊端，提升模型的整體效果，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化建模工作，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)消冗、點(diǎn)云粗略配準(zhǔn)和精密配準(zhǔn)，結(jié)合迭代最近點(diǎn)算法思路，能夠?qū)Σ糠殖霈F(xiàn)拉花的模型進(jìn)行修復(fù)，對(duì)整體三維模型的數(shù)據(jù)精度提升明顯，模型可以提供更高精度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。隨著實(shí)景三維中國、智慧城市等項(xiàng)目的開展，多源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合采集、融合應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

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