基于激光點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)行三維實景建模的方法各有優(yōu)缺點：三維激光掃描精度高，但測量范圍小，無人機攝影測量范圍廣，但是容易缺失數(shù)據(jù)。[過程與方法]針對以上問題，綜合運用兩種測量技術(shù)獲取空間數(shù)據(jù)，提高測區(qū)三維模型精度，由此開展應(yīng)用研究。[結(jié)論]研究表明，兩類技術(shù)綜合運用可實現(xiàn)測區(qū)三維數(shù)據(jù)完整采集；通過統(tǒng)一控制點坐標(biāo)系和迭代最臨近點配準(zhǔn)算法可有效融合兩類點云，能構(gòu)建高時效、高精度、高分辨率的三維模型；該方法提高了測量作業(yè)的自動化程度和影像清晰度，可應(yīng)用于多種場合的測量。

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

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

在工程測量過程中，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。三維激光掃描和無人機傾斜攝影是應(yīng)用最為普遍的三維測量技術(shù)方法，兩類技術(shù)在數(shù)字建模、考古挖掘、地形測繪、文物保護(hù)以及災(zāi)害評估等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性的應(yīng)用進(jìn)展[1-6]。

然而，無人機傾斜影像三維建模在影像預(yù)處理、空中三角測量、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、影像缺失等多種問題[7]。此外，針對復(fù)雜地形條件下的大面積測繪需求，利用3dmax軟件修補空洞的方法具有主觀性，不能真實反映模型情況。

作為航空遙感的一種，無人機傾斜攝影技術(shù)主要應(yīng)用于城市的三維建模，以及一些不適合實地測量的場所。因此，無人機傾斜攝影技術(shù)已應(yīng)用于國土安全、應(yīng)急指揮、城市管理、環(huán)保監(jiān)測、災(zāi)害評估等各個行業(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)展起來的一種基于激光測距原理的遙感監(jiān)測手段[8]。TLS技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量，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、主動性工作、數(shù)據(jù)可量測、獲取信息豐富等優(yōu)點，因此適用于小范圍構(gòu)建精細(xì)模型[11-13]。

本文通過綜合運用TLS技術(shù)和無人機傾斜攝影技術(shù)，對南京市主城區(qū)某典型地域進(jìn)行測量試驗，探究三維測量技術(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)境下工程測量的新技術(shù)流程。

1 基于點云數(shù)據(jù)的三維建模方法

本文通過無人機傾斜攝影與TLS技術(shù)，獲取點云數(shù)據(jù)，構(gòu)成了三維建模地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)來源，通過迭代最臨近點配準(zhǔn)算法（Iterative Closest Points，ICP）完成配準(zhǔn)，得到精度更高的三維實景模型。

1.1 無人機傾斜攝影

無人機測繪采用小型飛行器搭載高像素攝像頭，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量手段。相對于傳統(tǒng)的測繪，無人機測繪有著快速測繪、高精度出圖與建模、受地形影響較小的優(yōu)勢[14]。傾斜攝影具有成本低、效率高、真實性強、數(shù)據(jù)量小的優(yōu)勢。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。利用無人機航空攝影測量技術(shù)，可獲取高分辨率航空影像，通過影像糾正、影像融合等方法，快速處理大范圍場景影像，完成大面積測區(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連續(xù)旋轉(zhuǎn)發(fā)射激光，通過目標(biāo)反射將掃描地物的空間位置信息以三維點云的形式記錄下來的測量手段，廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，主要包括林業(yè)調(diào)查、醫(yī)學(xué)與工程測量、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距為主，經(jīng)激光發(fā)射、探測、延時估算來獲取回波脈沖時間間隔，進(jìn)而求解發(fā)射點與反射點間距，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)射與反射點空間距離；t即脈沖發(fā)射與接收時間差；△d與△t分別為激光測距儀的空間與時間分辨率。

1.3 ICP算法

將不同坐標(biāo)系下的點云轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的過程叫作點云配準(zhǔn)，在對通過傾斜攝影與三維激光掃描方法完成兩種點云的融合的過程中，ICP算法起到了重要作用。ICP算法是點云配準(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 綜合運用

通過多旋翼無人機獲取航空影像，經(jīng)勻光勻色、幾何校正、同名點匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，通過三維建模等關(guān)鍵技術(shù)制作測區(qū)三維傾斜測量模型數(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)行實時量測[16]。

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

然而，TLS技術(shù)存在對高密度植被無法穿越、受潮濕環(huán)境影響較大、數(shù)據(jù)處理對軟硬件要求高等不足[11]，而傾斜攝影產(chǎn)生的三維模型會產(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，針對任務(wù)特點和測區(qū)地形地物復(fù)雜的特點，試驗采用無人機傾斜攝影測量和地面三維激光掃描相結(jié)合的方式進(jìn)行，通過以上技術(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 試驗驗證

2.1 測區(qū)概況

本次試驗以清涼山公園為測區(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，地勢陡峻，植被復(fù)雜，區(qū)內(nèi)人口稠密，屬于江南丘陵區(qū)。測區(qū)高差80米，面積約1.2平方千米，其中植被面積25.20萬平方米。

鑒于測區(qū)地形地貌的復(fù)雜性和特殊性，采用常規(guī)測量手段施測難度大，作業(yè)效率低，而無人機航空攝影測量與三維激光掃描技術(shù)能有效地解決常規(guī)地形測量的不足。本項目采用無人機對測區(qū)全范圍進(jìn)行航空攝影并航測成圖，采用三維激光掃描技術(shù)修補測區(qū)空洞，對測區(qū)進(jìn)行全野外數(shù)字化測圖，同時也有利于對成圖精度符合性進(jìn)行檢驗。

2.2 工作流程

本次實驗先用無人機傾斜攝影技術(shù)做大面積數(shù)據(jù)采集，合成osgb格式的DEM三維模型，而后針對無人機傾斜攝影產(chǎn)生的空洞，采用三維激光掃描技術(shù)，對空洞地區(qū)進(jìn)行補測，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： 垂直起降固定翼無人機：大疆無人機M600Pro （ 飛行總重： 24 kg，任務(wù)載荷： 2 kg，巡航速度：25 m/s，續(xù)航時間： 4 h，抗風(fēng)能： 7 級） ； 可量測型航測相機： 成都睿鉑RIY-D2 （ 五相機鏡頭，有效像素： 1 億像素，畫幅： 53.4 mm× 40 mm） 。采用軟件包括：無人機攝影測量數(shù)據(jù)自動處理系統(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)采集過程

1） 無人機傾斜攝影

本次無人機傾斜攝影試驗，共有6個像控點（見表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，航攝時自動采集POS數(shù)據(jù)。

2） 三維激光掃描

試驗測站7個（見表2），每次測站用時8分50秒。三維激光掃描采集完畢后，利用RISCAN軟件完成點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集成。

3） DEM與DOM制作

使用smart3D軟件，通過傾斜攝影過程中得到的POS數(shù)據(jù)和三維激光掃描測站得到的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，而后通過貼紋理得到數(shù)字正射影像（Digital orthoimage model，DOM）模型。

3 項目試驗成果

3.1 精度分析

點云是激光掃描和傾斜攝影測量成果的基本體現(xiàn)形式，記錄著測量對象平面、高程及表面色系等信息，是實施后期建模、專業(yè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，三維點云數(shù)據(jù)的測量精度至關(guān)重要。為判別測量成果精度準(zhǔn)確性，本文引用 RTK 實測數(shù)據(jù)與2類成果點云進(jìn)行比較驗證，2類點云數(shù)據(jù)在水平面上均具有良好的控制效果，誤差基本在毫米級和厘米級，但無人機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，如表3。為彌補點云之間局部偏差問題，宜以三維激光點云為基準(zhǔn)，將傾斜攝影點云進(jìn)行配準(zhǔn)擬合，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的融合。

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

4 結(jié)束語

本文通過綜合運用傾斜攝影與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。三維激光掃描點云數(shù)據(jù)在精度控制上要優(yōu)于無人機攝影測量，以激光點云為基準(zhǔn)，采用基于特征點的ICP 配準(zhǔn)算法可有效融合兩類不同的點云數(shù)據(jù)，從而高效率構(gòu)建高精度、高分辨率的三維點云模型，由此克服地形地物的限制與遮擋，實現(xiàn)對復(fù)雜地面信息的無死角數(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坐標(biāo)系，可保障 2 類測量成果坐標(biāo)統(tǒng)一，便于利用ICP配準(zhǔn)算法實現(xiàn)兩類不同測量成果的數(shù)據(jù)級匹配。

在工程應(yīng)用中，融合的地形三維仿真模型能夠真實反映作業(yè)環(huán)境，能多尺度精確監(jiān)測作業(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)害檢測領(lǐng)域中，該技術(shù)可用于滑坡監(jiān)測、土壤侵蝕監(jiān)測、敏感地貌微形變監(jiān)測、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（見圖7），因而還可以用于目標(biāo)智能識別和圖像語義分割。

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

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【通聯(lián)編輯：梁書】