基于激光點(diǎn)云和傾斜影像的三維建模方法研究

許一帆 郭杰

摘要：[目的]基于三維激光掃描和傾斜攝影進(jìn)行三維實(shí)景建模的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：三維激光掃描精度高，但測(cè)量范圍小，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量范圍廣，但是容易缺失數(shù)據(jù)。[過(guò)程與方法]針對(duì)以上問(wèn)題，綜合運(yùn)用兩種測(cè)量技術(shù)獲取空間數(shù)據(jù)，提高測(cè)區(qū)三維模型精度，由此開(kāi)展應(yīng)用研究。[結(jié)論]研究表明，兩類技術(shù)綜合運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)完整采集；通過(guò)統(tǒng)一控制點(diǎn)坐標(biāo)系和迭代最臨近點(diǎn)配準(zhǔn)算法可有效融合兩類點(diǎn)云，能構(gòu)建高時(shí)效、高精度、高分辨率的三維模型；該方法提高了測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化程度和影像清晰度，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合的測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 傾斜攝影；三維激光掃描；實(shí)景模型；復(fù)雜地形地物測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）28-0282-04

Research and Application of Surveying and Mapping based on Laser Point Cloud and Tilt Photography

XUYi-fan， GUO Jie

（Army Engineering University， Nanjing 210007， China）

Abstract： Three-dimensional laser scanning and tilt photography have their own advantages and disadvantages： high accuracy of three-dimensional laser scanning， but the measurement range is small， UAV photogrammetry range is wide， but easy to missing data. In view of the above problems， two kinds of measurement techniques are used to acquire spatial data to improve the accuracy of the three-dimensional model of the survey area， and then applied research is carried out. The research shows that the integrated application of the two technologies can realize the complete collection of 3D data in the survey area； the unified control point coordinate system and the iterative nearest neighbor point registration algorithm can effectively fuse the two types of point clouds， and can build a high-efficiency， high-precision， high-resolution 3D model； the method improves the automation of the measurement operation and image clearance. It can be applied to many kinds of occasions.

Key words： oblique photography； three-dimensional laser scanning； digital elevation model； complex topographic survey

在工程測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)常需要更高比例尺（1：2000或1：1000）的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）模型。三維激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影是應(yīng)用最為普遍的三維測(cè)量技術(shù)方法，兩類技術(shù)在數(shù)字建模、考古挖掘、地形測(cè)繪、文物保護(hù)以及災(zāi)害評(píng)估等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性的應(yīng)用進(jìn)展[1-6]。

然而，無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模在影像預(yù)處理、空中三角測(cè)量、模型建立后等各技術(shù)環(huán)節(jié)，還存在數(shù)據(jù)冗余、模型變形、影像缺失等多種問(wèn)題[7]。此外，針對(duì)復(fù)雜地形條件下的大面積測(cè)繪需求，利用3dmax軟件修補(bǔ)空洞的方法具有主觀性，不能真實(shí)反映模型情況。

作為航空遙感的一種，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要應(yīng)用于城市的三維建模，以及一些不適合實(shí)地測(cè)量的場(chǎng)所。因此，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已應(yīng)用于國(guó)土安全、應(yīng)急指揮、城市管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

三維激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，TLS）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種基于激光測(cè)距原理的遙感監(jiān)測(cè)手段[8]。TLS技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，能夠快速獲取目標(biāo)物表面的海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，滿足各種應(yīng)用需求[9-10]。TLS具有速度快、精度高、范圍廣、非接觸式工作、主動(dòng)性工作、數(shù)據(jù)可量測(cè)、獲取信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于小范圍構(gòu)建精細(xì)模型[11-13]。

本文通過(guò)綜合運(yùn)用TLS技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)南京市主城區(qū)某典型地域進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，探究三維測(cè)量技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的適用性程度，研發(fā)適用于不同環(huán)境下工程測(cè)量的新技術(shù)流程。

1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模方法

本文通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影與TLS技術(shù)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)成了三維建模地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)來(lái)源，通過(guò)迭代最臨近點(diǎn)配準(zhǔn)算法（Iterative Closest Points，ICP）完成配準(zhǔn)，得到精度更高的三維實(shí)景模型。

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

無(wú)人機(jī)測(cè)繪采用小型飛行器搭載高像素?cái)z像頭，是一種在一定的高度進(jìn)行地面的航攝，拍攝一組具有一定航向重疊度與旁向重疊度的像片，并利用軟件進(jìn)行處理，建立數(shù)字地面模型的一種非接觸測(cè)量手段。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪，無(wú)人機(jī)測(cè)繪有著快速測(cè)繪、高精度出圖與建模、受地形影響較小的優(yōu)勢(shì)[14]。傾斜攝影具有成本低、效率高、真實(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)勢(shì)。此外，傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，誤差小，數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)質(zhì)量有保證。利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，可獲取高分辨率航空影像，通過(guò)影像糾正、影像融合等方法，快速處理大范圍場(chǎng)景影像，完成大面積測(cè)區(qū)數(shù)字正射影像制作。

1.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描是一種通過(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)射激光，通過(guò)目標(biāo)反射將掃描地物的空間位置信息以三維點(diǎn)云的形式記錄下來(lái)的測(cè)量手段，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，主要包括林業(yè)調(diào)查、醫(yī)學(xué)與工程測(cè)量、建筑與文物保護(hù)、數(shù)字城市等方面。

三維激光掃描多采用脈沖式測(cè)距為主，經(jīng)激光發(fā)射、探測(cè)、延時(shí)估算來(lái)獲取回波脈沖時(shí)間間隔，進(jìn)而求解發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)間距，基本公式為：

[d=ct/2Δd=cΔt/2]

其中，c為激光傳播速度，即光速；d為發(fā)射與反射點(diǎn)空間距離；t即脈沖發(fā)射與接收時(shí)間差；△d與△t分別為激光測(cè)距儀的空間與時(shí)間分辨率。

1.3 ICP算法

將不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的過(guò)程叫作點(diǎn)云配準(zhǔn)，在對(duì)通過(guò)傾斜攝影與三維激光掃描方法完成兩種點(diǎn)云的融合的過(guò)程中，ICP算法起到了重要作用。ICP算法是點(diǎn)云配準(zhǔn)算法中最常用的算法，Besl和Mckay[15]提出最初的ICP算法，得到廣泛應(yīng)用。

1.4 綜合運(yùn)用

通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)獲取航空影像，經(jīng)勻光勻色、幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，通過(guò)三維建模等關(guān)鍵技術(shù)制作測(cè)區(qū)三維傾斜測(cè)量模型數(shù)據(jù)，模型具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)[16]。

使用三維激光掃描儀，將獲取測(cè)區(qū)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拼接、濾波、多邊形擬合、孔洞修補(bǔ)，分區(qū)域選擇相片進(jìn)行紋理映射，制作具有實(shí)時(shí)量測(cè)功能的真三維模型[17-20]。

然而，TLS技術(shù)存在對(duì)高密度植被無(wú)法穿越、受潮濕環(huán)境影響較大、數(shù)據(jù)處理對(duì)軟硬件要求高等不足[11]，而傾斜攝影產(chǎn)生的三維模型會(huì)產(chǎn)生空洞和失真，水面的三維模型存在大面積空洞和地物模型邊緣平滑[21]等缺陷。

因此，針對(duì)任務(wù)特點(diǎn)和測(cè)區(qū)地形地物復(fù)雜的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和地面三維激光掃描相結(jié)合的方式進(jìn)行，通過(guò)以上技術(shù)完成采集數(shù)據(jù)的集成，并克服兩種數(shù)據(jù)采集技術(shù)的缺陷。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 測(cè)區(qū)概況

本次試驗(yàn)以清涼山公園為測(cè)區(qū)。清涼山公園位于南京城區(qū)西郊，經(jīng)緯度32.05°N，118.76°S，地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)有植被、水系、建筑物、道路、古跡等多種地物，地勢(shì)陡峻，植被復(fù)雜，區(qū)內(nèi)人口稠密，屬于江南丘陵區(qū)。測(cè)區(qū)高差80米，面積約1.2平方千米，其中植被面積25.20萬(wàn)平方米。

鑒于測(cè)區(qū)地形地貌的復(fù)雜性和特殊性，采用常規(guī)測(cè)量手段施測(cè)難度大，作業(yè)效率低，而無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量與三維激光掃描技術(shù)能有效地解決常規(guī)地形測(cè)量的不足。本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)全范圍進(jìn)行航空攝影并航測(cè)成圖，采用三維激光掃描技術(shù)修補(bǔ)測(cè)區(qū)空洞，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全野外數(shù)字化測(cè)圖，同時(shí)也有利于對(duì)成圖精度符合性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 工作流程

本次實(shí)驗(yàn)先用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)做大面積數(shù)據(jù)采集，合成osgb格式的DEM三維模型，而后針對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影產(chǎn)生的空洞，采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)空洞地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，再融合兩次作業(yè)的結(jié)果，得到精確的融合地形數(shù)據(jù)。

2.2.1 儀器和軟件

采用儀器包括： 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)：大疆無(wú)人機(jī)M600Pro （ 飛行總重： 24 kg，任務(wù)載荷： 2 kg，巡航速度：25 m/s，續(xù)航時(shí)間： 4 h，抗風(fēng)能： 7 級(jí)） ； 可量測(cè)型航測(cè)相機(jī)： 成都睿鉑RIY-D2 （ 五相機(jī)鏡頭，有效像素： 1 億像素，畫幅： 53.4 mm× 40 mm） 。采用軟件包括：無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)： Smart3D，三維激光掃描儀：Riegl-R400及配套軟件：RISCAN Pro。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1） 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

本次無(wú)人機(jī)傾斜攝影試驗(yàn)，共有6個(gè)像控點(diǎn)（見(jiàn)表1），采用像控坐標(biāo)系為2000坐標(biāo)系，高斯三度帶，中央子午線120度，航攝時(shí)自動(dòng)采集POS數(shù)據(jù)。

2） 三維激光掃描

試驗(yàn)測(cè)站7個(gè)（見(jiàn)表2），每次測(cè)站用時(shí)8分50秒。三維激光掃描采集完畢后，利用RISCAN軟件完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集成。

3） DEM與DOM制作

使用smart3D軟件，通過(guò)傾斜攝影過(guò)程中得到的POS數(shù)據(jù)和三維激光掃描測(cè)站得到的RTK數(shù)據(jù)，采用ICP算法，合成傾斜攝影獲得的DEM模型與三維激光掃描得到的DEM模型，得到更精細(xì)的DEM模型，而后通過(guò)貼紋理得到數(shù)字正射影像（Digital orthoimage model，DOM）模型。

3 項(xiàng)目試驗(yàn)成果

3.1 精度分析

點(diǎn)云是激光掃描和傾斜攝影測(cè)量成果的基本體現(xiàn)形式，記錄著測(cè)量對(duì)象平面、高程及表面色系等信息，是實(shí)施后期建模、專業(yè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量精度至關(guān)重要。為判別測(cè)量成果精度準(zhǔn)確性，本文引用 RTK 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與2類成果點(diǎn)云進(jìn)行比較驗(yàn)證，2類點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水平面上均具有良好的控制效果，誤差基本在毫米級(jí)和厘米級(jí)，但無(wú)人機(jī)傾斜攝影在高陡地形上的高程精度控制明顯要弱于地面三維激光掃描，誤差達(dá)到米級(jí)，如表3。為彌補(bǔ)點(diǎn)云之間局部偏差問(wèn)題，宜以三維激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，將傾斜攝影點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)擬合，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合。

以上結(jié)果表明，本次測(cè)繪試驗(yàn)在無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上合成高精度的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果良好，證明該方法可用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)綜合運(yùn)用傾斜攝影與TLS兩種手段，提出了一種在復(fù)雜地形條件下的高精度方法。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在精度控制上要優(yōu)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，以激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，采用基于特征點(diǎn)的ICP 配準(zhǔn)算法可有效融合兩類不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而高效率構(gòu)建高精度、高分辨率的三維點(diǎn)云模型，由此克服地形地物的限制與遮擋，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地面信息的無(wú)死角數(shù)據(jù)采集，提高了作業(yè)效率，此外還減少了3dmax人工修補(bǔ)空洞的工作。采用 RTK 與POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一激光掃描和傾斜攝影的控制點(diǎn)坐標(biāo)系，可保障 2 類測(cè)量成果坐標(biāo)統(tǒng)一，便于利用ICP配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)兩類不同測(cè)量成果的數(shù)據(jù)級(jí)匹配。

在工程應(yīng)用中，融合的地形三維仿真模型能夠真實(shí)反映作業(yè)環(huán)境，能多尺度精確監(jiān)測(cè)作業(yè)區(qū)的工況和安全隱患，有效輔助工程作業(yè)，可提高作業(yè)效率。在自然災(zāi)害檢測(cè)領(lǐng)域中，該技術(shù)可用于滑坡監(jiān)測(cè)、土壤侵蝕監(jiān)測(cè)、敏感地貌微形變監(jiān)測(cè)、水災(zāi)害邊界追蹤等方面的數(shù)據(jù)采集[11]，結(jié)合兩種技術(shù)，可以獲取更精確的數(shù)據(jù)。

該技術(shù)不僅能夠得到高精度的DEM模型，而且還能夠清晰顯示圖形符號(hào)（見(jiàn)圖7），因而還可以用于目標(biāo)智能識(shí)別和圖像語(yǔ)義分割。

不足之處，在三維激光掃描過(guò)程中，由于測(cè)站附近樹(shù)木搖晃幅度較大，采集的數(shù)據(jù)無(wú)法完全匹配，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率降低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程小龍，程效軍，賈東峰，等.三維激光掃描技術(shù)在考古發(fā)掘中的應(yīng)用[J].工程勘察，2015，43（8）：79-86.

[2] 董秀軍.三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)工程中的綜合應(yīng)用研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2015.

[3] 張志軍，田亞坤，韓艷杰.基于 3D 激光掃描技術(shù)的繞腰法采空區(qū)資源回收方法研究[J]]中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，11（ 8）：58-63.

[4] 張平，劉怡，蔣紅兵.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的“數(shù)字資陽(yáng)”三維建模及精度評(píng)定[J].測(cè)繪，2014（3 ：115-118.

[5] 劉洋.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像處理與三維建模的研究[D].撫州：東華理工大學(xué)，2016.

[6] 譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（ 11）：39-42.

[7] 邱春霞，董乾坤，劉榮華.無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模中的模型精細(xì)化[J].測(cè)繪通報(bào)，2017.（11）.133-138.

[8] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào)，2010（1）：53-56.

[9] MILAN D J， HERITAGEG L ，HETHERINGTOND.Application of a 3D laser scanner in the assessment of erosion and deposition volumes and channel change in a proglacial river[J].Earth Surface Processes and Landforms ，2007，32（11）：1657-1674.

[10] 董秀軍，黃潤(rùn)秋.三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（22）：3629-3635.

[11] 杜超，趙進(jìn).TLS技術(shù)在環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].測(cè)繪科學(xué)，2018.6， 43（6）：65-72.

[12] Delaloye&Danielle.Development; of a new methodology for measuring deformation in tunnels and shafts with terrestrial laser scanning（ lidar） using elliptical fitting algorithms[D].Kingston： Queens University，2012.

[13] en H，Liu Z，Han Z，et al. Application of 3D Laser Scanning Technology in the Surveying and Mapping Goaf[J].Gold Science&Technology;，2013，21（3）：64-68.

[14] 宋濤.無(wú)人機(jī)測(cè)繪與現(xiàn)代基建工程，中國(guó)測(cè)繪地理信息學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2017：85-90.

[15] Besl.P.J，Mckay.N.D. A Method for registration of 3D shapes[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1992，14（2）：239：256.

[16] 崔明軍.關(guān)于測(cè)繪測(cè)量的無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)解析[J].世界有色金屬，2016（8）：96-97.

[17] 趙國(guó)強(qiáng).基于三維激光掃描與近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的三維重建精度對(duì)比研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2012：56.

[18] 白成軍，吳蔥.文物建筑測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的核心問(wèn)題研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012（1）：38.

[19] 清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院文化遺產(chǎn)保護(hù)研究所，北京清華城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院文化遺產(chǎn)保護(hù)研究所.佛光寺東大殿建筑勘察研究報(bào)告[M].北京：文物出版社，2011：72.

[20] 劉剛，張俊，刁常宇.敦煌莫高窟石窟三維數(shù)字化技術(shù)研究[J].敦煌研究，2005（4）：104-109.

[21] 譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（11）：39-42.

[22] 魯恒，李永樹(shù)，何敬，等.無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理[J].測(cè)繪工程，2011，20（ 1） ：51-54.

【通聯(lián)編輯：梁書】