地面激光掃描聯(lián)合無(wú)人機(jī)影像的三維模型重建

宋亞恒 劉盼盼

【摘?要】科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展迅速，很多先進(jìn)科研技術(shù)運(yùn)用到我國(guó)各行業(yè)中，使其發(fā)展更為迅速。三維激光掃描技術(shù)的誕生是為了解決工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和制造的需求，已經(jīng)成功且廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、城市建筑測(cè)量、地形測(cè)繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測(cè)、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計(jì)、飛機(jī)船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等各個(gè)行業(yè)。

【關(guān)鍵詞】地面激光掃描;無(wú)人機(jī)影像;三維模型重建

引言

時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展使我國(guó)快速進(jìn)入現(xiàn)代化發(fā)展階段的同時(shí)，我國(guó)各行業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。精確的三維模型在城市規(guī)劃、文化遺產(chǎn)保護(hù)、房產(chǎn)管理、災(zāi)害模擬等領(lǐng)域有重要用途。

1地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

地面三維激光掃描技術(shù)主要用來(lái)精確記錄地面的三維空間信息，利用激光測(cè)距的原理，全方位記錄各個(gè)地面點(diǎn)的相對(duì)空間位置，從而得到完整的地面全部數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)。將坐標(biāo)以三維影像的方式呈現(xiàn)出來(lái)，在計(jì)算機(jī)中用3D數(shù)字模型來(lái)實(shí)現(xiàn)還原實(shí)地地物地貌信息，從而為建筑工程方案的制定提供可靠依據(jù)，同時(shí)也大大提高了地面測(cè)量的精確度與信息的可利用價(jià)值。從一定程度上來(lái)看，地面三維激光掃描技術(shù)不僅包括掃描儀、數(shù)字成像等硬件設(shè)備，還包括一系列數(shù)據(jù)處理軟件，共同實(shí)現(xiàn)技術(shù)效果。

2無(wú)人機(jī)影像目標(biāo)檢測(cè)

1.基于像素分析的方法，基于像素分析的目標(biāo)檢測(cè)方法通過(guò)對(duì)序列圖像進(jìn)行逐像素點(diǎn)的對(duì)比，來(lái)區(qū)分前景和背景。比較具有代表性的有幀間差分法、背景差分法。2.幀間差分法，幀間差分法利用視頻幀圖像的時(shí)間連續(xù)性特點(diǎn)，通過(guò)灰度值的變化來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。如果場(chǎng)景中不存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，圖像灰度值就保持穩(wěn)定，相反若存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則灰度值變化很大。將視頻序列中連續(xù)幀圖像相減，再利用閾值就可以確定目標(biāo)區(qū)域。例如，針對(duì)無(wú)人機(jī)視頻提出了基于幀差和分塊背景建模的車輛自動(dòng)檢測(cè)算法，具有較高的正檢率。這類方法思路簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，常用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍有限，僅適用于靜態(tài)背景，且背景比較簡(jiǎn)單、目標(biāo)較少的情況。3.背景差分法，背景差分法首先進(jìn)行背景建模，根據(jù)當(dāng)前幀與背景模型的像素差值確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有良好的魯棒性與實(shí)時(shí)性，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定閾值，其檢測(cè)結(jié)果能夠直觀反映運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置、大小和形狀等信息，從而得到比較精確的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息。基于背景差分法，預(yù)先得到純凈無(wú)障礙的路面圖像，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后與待檢測(cè)圖像做差分計(jì)算完成對(duì)路面障礙物的識(shí)別。然而，背景差分法對(duì)檢測(cè)的效果取決于背景的復(fù)雜程度，相鄰兩幀圖像的背景越接近，求差后得到的目標(biāo)區(qū)域也就越完整。因此，建立好背景圖像是該方法的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)所在。上述兩種方法比較適合于處理無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是處理背景復(fù)雜的無(wú)人機(jī)影像時(shí)，性能比較差。

3建筑物模型重建

將融合后的地面激光與攝影測(cè)量點(diǎn)云導(dǎo)入到基于Microstation平臺(tái)的Terrascan軟件中，為每棟建筑物建立一個(gè)圖層利于后續(xù)的編輯修改，利用Terrascan軟件中的“切剖面”工具顯示點(diǎn)云的側(cè)面視圖，結(jié)合顯示點(diǎn)云的頂視圖和側(cè)面視圖，采用“智能線”精確繪圖功能準(zhǔn)確勾繪建筑物主體頂部輪廓，根據(jù)側(cè)面視圖顯示的建筑物點(diǎn)云高度使用“推拉/擠壓”功能構(gòu)造出建筑物的三維實(shí)體模型。除了無(wú)人機(jī)采集的建筑物的頂部影像和部分立面影像外，還需要用單反相機(jī)補(bǔ)拍建筑物立面影像，按建筑物對(duì)影像分類后，利用Photoshop軟件的“透視裁剪”裁切圖片，通過(guò)“斜切”“變形”等工具糾正影像為立面正射圖。

4點(diǎn)云算法

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理內(nèi)容的相關(guān)算法也需要進(jìn)一步研究：其一，對(duì)點(diǎn)云的自動(dòng)分割算法需要進(jìn)一步完善，如能自動(dòng)分割出許多數(shù)據(jù)量小、擁有相同特征的點(diǎn)云部分（如雕像的底座、建筑物的門窗、墻壁柱子等局部自動(dòng)分割出來(lái)），即可先對(duì)目標(biāo)建筑物的局部進(jìn)行建模，然后在將部分模型拼接成完整模型，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及工作量分散之后，可以大大降低建模對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求，同時(shí)能在極大程度提高工作效率，避免數(shù)據(jù)處理過(guò)程中軟件或系統(tǒng)由于無(wú)法承載數(shù)據(jù)處理量而出現(xiàn)崩盤(pán)狀況;其二，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)算法也需要進(jìn)行深入研究及完善，探究如何在保留目標(biāo)實(shí)體特征點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其余點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn);基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)而不適用于在數(shù)字城市等的應(yīng)用中，3Dmax模型數(shù)據(jù)量小，在數(shù)據(jù)量上占有優(yōu)勢(shì)，但3Dmax手動(dòng)提取特征點(diǎn)云、手動(dòng)實(shí)現(xiàn)建模，因而工作量大，在實(shí)際的生產(chǎn)工作中需要花費(fèi)大量的人力物力財(cái)力;綜上所述，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)，在很大程度提高工作效率，減少成本投入。

5建筑測(cè)量

城市化建設(shè)當(dāng)中，大多建筑翻修、保護(hù)工程需要精密測(cè)量。對(duì)于建筑自身來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)與測(cè)量?jī)x器，往往實(shí)際得出的測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際效果相差較大，需要人工對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)減小圖紙與實(shí)際測(cè)量的誤差。尤其是在古建筑修復(fù)方面，大多古建筑建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，采用常規(guī)建筑測(cè)量手段難度較大，準(zhǔn)確性較低，影響古建筑修復(fù)設(shè)計(jì)和施工的順利開(kāi)展。采用地面三維激光掃描技術(shù)，可對(duì)建筑空間進(jìn)行全方面的掃描與測(cè)量，按照標(biāo)準(zhǔn)建筑數(shù)據(jù)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)變形的情況進(jìn)行檢測(cè)和分析，制定最佳的修復(fù)方案，達(dá)到保護(hù)建筑，延長(zhǎng)建筑使用壽命的目標(biāo)。

6多尺度的特征融合

特征提取與表達(dá)是目標(biāo)檢測(cè)中的核心問(wèn)題，深度特征具有強(qiáng)大的特征表達(dá)能力和上下文信息提取能力，包含了從低層視覺(jué)特征到高層語(yǔ)義特征的豐富表達(dá)。如何對(duì)各層的特征進(jìn)行融合、如何對(duì)局部特征進(jìn)行表示均是值得深入探索的問(wèn)題。

7多源傳感信息融合

僅利用無(wú)人機(jī)影像中的視覺(jué)信息無(wú)法獲得理想的檢測(cè)精度，可以利用航拍平臺(tái)上的多源傳感信息，指導(dǎo)對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，從而提升檢測(cè)速度與精度，這將有助于突破低空航拍影像中多尺度多視角目標(biāo)檢測(cè)的瓶頸問(wèn)題。

8建模結(jié)果

在SuperMap三維地理信息平臺(tái)中可以為每棟建筑物設(shè)置屬性表并添加屬性值，可以實(shí)現(xiàn)三維系統(tǒng)的三維坐標(biāo)查詢、高度量測(cè)、通視性分析、緩沖區(qū)分析、日照分析等三維空間分析功能。

結(jié)語(yǔ)

聯(lián)合地面三維激光掃描與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)重建三維場(chǎng)景的方法涉及激光點(diǎn)云處理技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，該三維建模方案的綜合性強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理量大，建模周期長(zhǎng)，成本也較高，適合于小區(qū)域的高精度三維場(chǎng)景重構(gòu)。

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（作者單位：中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司）