移動測量在超精細三維場景制作中的應用研究

楊銘

(上海市測繪院，上海 200063)

移動測量在超精細三維場景制作中的應用研究

楊銘*

(上海市測繪院，上海 200063)

近年來，隨著城市信息化建設的不斷深入，超精細三維場景的應用越來越廣泛。本文首先從需求出發，分析了超精細三維場景在城市信息化建設中的重要性；然后針對傳統作業方法的不足，重點研究了包括無人機傾斜攝影測量、移動掃描測量、動態紋理采集、手持三維掃描測量在內的多種新型移動測量技術在超精細三維場景制作中的應用情況。

超精細三維場景；無人機傾斜攝影測量；移動掃描測量；動態紋理采集；手持三維掃描測量

1 引 言

隨著社會的不斷發展、科技的不斷進步，城市的信息化已經成為必然的趨勢。近年來智慧城市概念的提出，正是這種趨勢的體現。構建智慧城市已逐漸成為城市信息化建設的目標。三維場景模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，因此成為構建智慧城市的研究重點。根據制作的精細程度，三維場景模型可分為標準模型、精細模型和超精細模型三類。其中超精細三維場景不僅涵蓋十分精細的建筑模型和地面模型，還加入了種類豐富齊全的樹木、小品等要素，特別適合重點區域的瀏覽展示、虛擬現實、規劃管理、檔案保存等應用。

傳統的三維場景模型一般是通過地形圖或者竣工資料獲得建筑、道路的平面、高程信息，然后用全站儀結合鋼卷尺獲得細部結構的位置數據。此類工作模式雖然能得到最終的模型成果，但存在勞動強度大、作業效率低、建模精度差、表達效果不佳等問題。當遇到表面結構復雜的對象時，這些問題顯得有尤為突出。

近年來，多種新興移動測量技術發展迅速，相比于傳統方法，其在保證成果質量的基礎上，作業效率顯著提升。因此，本文重點研究包括無人機傾斜攝影測量、移動掃描測量、動態紋理采集、手持三維掃描測量在內的多種新型移動測量技術，并通過具體案例，探索其在超精細三維場景制作中的應用情況。

2 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量使用低空無人機加多鏡頭傾斜相機進行影像數據的采集，然后利用自動建模技術，生成三維實景模型數據。

2.1低空無人機

目前，實施傾斜攝影測量的飛行平臺主要分為有人機與無人機，其中無人機具有機動、靈活、快速、經濟等特點，以無人機作為航空攝影平臺能夠快速高效地獲取高質量、高分辨率的影像，越來越受到研究者和生產者的青睞，大大地擴大了遙感的應用范圍和用戶群，具有廣闊的應用前景。

低空無人機系統主要包括飛行器、地面站、數據鏈路和飛行員。其中，地面站負責航線規劃、飛機設置，數據鏈路負責地面站與無人機之間的通信，飛行員由無人機駕駛員、地面站操作人員和輔助人員組成。

根據平臺構型的不同，可分為固定翼無人機和旋翼無人機。其中，固定翼飛機飛行速度快，作業效率高；旋翼無人機，其便于控制，平臺穩定性好。對于城市區域的大場景三維模型，為保證飛行安全，一般以旋翼無人機為數據采集平臺。

2.2傾斜攝影測量

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項新的移動測量技術，改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性。其使用多臺傳感器從不同的角度進行數據的采集，快速、高效獲取豐富的數據信息，通過多視影像聯合平差、多視影像密集匹配、數字表面模型生成和真正射影像糾正等關鍵技術，真實地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需求。目前，傾斜攝影測量技術已經應用于大場景三維模型采集制作的生產實踐中。

其技術特點主要體現在以下四方面：

(1)成果具有照片級的表達效果，能反映真實情況；

(2)含有坐標信息，可量測；

(3)能生成多種數據成果，性價比高；

(4)數據采集與處理的效率高。

2.3數據處理

數據處理是無人機低空傾斜攝影測量的核心工作，它包括影像的預處理、相機高精度檢測、影像匹配、自動空中三角測量、DSM/DEM的自動提取、DOM的生成與無縫拼接等技術。

目前使用較多的商業軟件有Bentley公司的ContextCapture軟件，其基本作業流程如圖1所示：

圖1 ContextCapture軟件基本作業流程

2.4成果展示

無人機傾斜攝影測量的成果形式為大場景三維實景模型數據，其由大量的三角面構成，并附有真實的紋理信息，能逼真還原現場實際情況，如圖2、圖3所示。

圖2 上海老城廂福佑路地塊實景三維模型數據

圖3 上海迪士尼樂園實景三維模型數據

3 移動掃描測量

移動掃描測量設備作為目前測繪地理信息行業頂尖的數據采集設備，集多種采集手段為一體，可為超精細三維場景構建提供準確豐富的點云數據和全景影像數據。與固定測站掃描相比，移動掃描測量最大的優勢是可實現點云數據全自動拼接，數據處理效率高。根據定位原理不同，可分為基于衛星導航和基于SLAM技術兩種移動掃描測量設備。

3.1基于衛星導航的移動掃描測量

此類移動掃描測量系統將全球導航衛星系統、立體攝影測量系統、慣性導航系統、激光掃描系統、數字視頻系統、屬性采集和語音輸入等先進的傳感器和設備集成在同一平臺上，可在快速移動過程中，實時采集周邊地物的地理空間位置及屬性信息。

移動掃描測量技術具有速度快、信息豐富、精度高、非接觸式的特點，所獲得的點云和影像數據具有廣泛的應用性，如圖4所示。

圖4 基于衛星導航定位的移動掃描測量系統(青島秀山)及其工作原理

基于衛星導航的移動掃描測量技術可用于室外開闊區域的360°三維街景采集與精細模型制作。在上海國際旅游度假區項目中，該技術成功應用于超精細地面制作，高程精度普遍優于 10 cm，重點區域優于 5 cm。

3.2基于SLAM技術的移動掃描測量

基于衛星導航的移動掃描測量系統雖然精度較高，但需要獲取連續穩定的GNSS信號。當周邊遮擋嚴重，GNSS信號接收存在困難時，此類設備的精度會明顯下降，甚至無法采集數據。此時，可以使用SLAM(同步定位與制圖)技術進行定位和姿態估計。

利用SLAM技術進行定位的移動掃描測量系統是在移動過程中利用定位激光掃描儀獲取點云，借助編碼器采集里程信息，以便于在后續的數據融合過程中使用SLAM算法解算高精度的軌跡。其中，每個軌跡點包含采集的具體時間、全局坐標系下的位置及姿態信息，然后根據載體與激光掃描儀、全景相機之間的空間關系解算出在全局坐標系下激光點云坐標及拍照時刻的位置和關系，從而完成空間三維實景信息的獲取。

目前，在算法上，SLAM分為2D SLAM和3D SLAM兩種類型。其中2D SLAM無法適應高度上的快速變化，需要工作場景處在一個相對平整的環境下，一般以手推車為載體；而基于3D SLAM的測量設備可以在數據采集過程中根據需要上上下下的移動，并且通常設計成背包樣式，人員能經過的地方都能進行數據采集，對工作環境要求低，適應性強，如圖5所示：

圖5 基于SLAM技術的背包型移動測量系統(歐思徠智能)

這是一款基于SLAM技術的背包式移動三維激光掃描系統。該設備配有全景相機，兩個激光雷達，其中水平激光雷達用于定位，傾斜激光雷達用于采集數據，外業時可在平板電腦上實時看到數據采集的情況。

這種背包式掃描儀不需要衛星信號，數據采集方便，特別適合于衛星信號較弱區域(如室內或狹窄里弄)的全景數據采集與精細建模，已成功應用于上海老城廂地區歷史風貌保護項目。

3.3成果展示

圖6 上海國際旅游度假區超精細地面模型數據

圖7 上海老城廂方浜路三維場景模型數據

4 動態紋理采集

按照目前常規的模型制作方式，要想使三維場景真實、生動的反映現實世界，必須采集高質量的紋理數據(分辨率高、色彩還原性好)。傳統的紋理采集方式主要以相機拍照為主。當遇到高復雜度、高遮蓋度地區(如上海迪士尼樂園)時，傳統方法存在諸多問題。對此，本文從實際生產項目出發，提出了一種利用運動云臺相機進行動態紋理采集工作模型。如圖8所示是兩種作業方式的優劣對比情況：

圖8 兩種紋理采集方式的優劣對比情況

運動云臺相機不同于普通相機，其具有較高的穩定性和幀速率，既能保證采集的紋理清晰不模糊，又能保證外業采集的效率。下圖是一款運動云臺相機，其由高清運動相機，無刷電機云臺，操作手柄和移動設備支架組成。其運動相機最高可以采集分辨率達到4K的超清晰影像。運動云臺相機與Z軸穩定器配合使用就能實現三軸增穩，確保紋理采集穩定、清晰、無抖動，如圖9所示。

圖9 運動云臺相機(大疆)

通過大量的對比試驗，并結合在上海迪士尼、老城廂等項目中的實際應用情況，可以得出以下結論——相比于傳統靜態紋理采集方法，對于復雜區域的連續、超精細紋理采集，基于運動云臺相機的動態紋理采集方法有十分明顯的優勢。

5 手持三維掃描測量

前面介紹的移動測量技術雖然都十分方便快捷，但在建模精度上還有一定的局限性(基本都處于厘米級)，對于表面結構超級復雜的雕塑、浮雕、建筑裝飾等對象，可以使用先進的手持式三維掃描系統對細部結構的位置尺寸和紋理信息進行準確采集。

手持式三維掃描系統主要包括信息輸入、數據采集和數據處理輸出設備。信息輸入主要由白光(或激光)掃描系統、兩個(或多個)CCD攝像機及照明設備組成。利用兩個攝像機的圖像平面，和被測物體之間構成三角形，根據前方交會定點原理進行測量。已知兩攝像機之間的位置關系，即可測量兩攝像機公共視場內物體空間特征點的三維坐標。

手持式三維掃描系統與常規測量設備相比，精度較高，普遍優于 1 mm，完全滿足一般測繪領域的精度需求。

圖10 手持式三維掃描系統(CREAFORM形創)

圖10是一款具有彩色掃描功能的手持式三維掃描系統，其具有以下技術優勢：

(1)測量速度快：一般物體將在 5 min或更短時間內完成掃描；

(2)專業級測量：高達 0.1 mm的精度以及 0.5 mm的分辨率；

(3)混合定位：使用部件的幾何形狀及顏色；

(4)用戶友好：無須專業經驗，幾分鐘內即可啟動并運行；

(5)彩色掃描：允許嚴密地同步捕獲高品質幾何形狀和顏色；

(6)實時可視化：可以在計算機屏幕上看到自己正在執行的操作以及還需要執行哪些操作。

目前，該技術已成功應用于上海老城廂地區歷史風貌保護項目，圖11是部分成果展示：

圖11 上海豫園城隍廟石獅子超精細建模效果

6 結 語

城市的發展越來越快，測繪科技同樣日新月異。本文首先從需求出發，分析了超精細三維場景在城市信息化建設中的重要性；然后針對傳統作業方法的不足，重點介紹了多種新興移動測量技術在超精細三維場景制作中的應用情況。隨著城市信息化建設的不斷推進，各方對超精細三維場景的需求必然會越來越大，要求也會越來越高。在今后的工作中應當整合多方面的技術和資源，實現三個“一體化”。

首先是室內外一體化建模。目前，大多數的建模都是針對建筑外表面的，應該通過移動激光掃描等技術手段實現室內外數據在同一空間參考下的一體化采集與建模。其次是建筑對象化建模。應借鑒BIM理念，將重要的建筑結構對象化、模塊化，可用于重要歷史建筑的精細檔案管理。最后是空地一體化建模。將無人機傾斜攝影測量與地面三維激光掃描相結合，實現空地一體化實景三維模型的快速構建。

在超精細三維場景制作中，目前能使用的技術手段有很多，將來肯定會越來越多。如何將這些技術手段有機結合，在滿足精度要求的情況下，進一步提升效率，并拓展模型數據的應用領域，是需要進一步研究的內容。

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ResearchontheApplicationofMobileMappinginHyperfine3DSceneBuilding

Yang Ming

(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping，Shanghai 200063，China)

With the development of urban informatization construction in recent years，the Application of hyperfine 3D scene is more and more extensive. From the requirement，this paper analyzes the importance of hyperfine 3D scene in urban information construction. Then in view of the shortcomings of the traditional method，this paper focuses on the application of various new mobile mapping technologies in the building of hyperfine 3D scene，such as unmanned aerial vehicle oblique photography，mobile scanning and surveying，dynamic texture acquisition，handheld 3D scanning and surveying.

hyperfine 3D scene；unmanned aerial vehicle oblique photography；mobile scanning and surveying；dynamic texture acquisition；handheld 3D scanning and surveying

1672-8262(2017)05-53-05

P23

B

2017—08—09

楊銘(1987—)，男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要研究三維空間數據的采集與制作。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優秀論文三等獎。