無人機影像點云與地面激光點云配準的三維建模方法

摘 要：地面激光掃描儀（Terrestrial Laser Scanner，TLS）能夠快速地獲取高大建筑物側面點云數據，但較難獲取其頂部點云數據。無人機（unmanned aerial vehicles，UAV）通過搭載五鏡頭傾斜攝影相機，能在短時間內獲取高大建筑物的頂部影像，并基于攝影測量原理生成建筑物頂部的三維點云。文中針對高大建筑物的三維建模，首先，通過UAV影像構建三維點云信息，其次，將UVA影像點云與TLS點云數據進行配準后構建其三維模型。

關鍵詞：點云;無人機影像;地面激光掃描儀;三維建模

一、 引言

三維場景重建是數字城市建設的重要組成部分，傳統的三維建模方式已經無法滿足人們對模型高精度的要求。很多城市已基本完成大區域的數字城市建設，小區域場景更新已經成為重要問題。三維激光掃描技術具有數據獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標物體表面三維數據等優勢。

無人機影像可以獲取建筑物頂部和地面信息，結合三維激光掃描技術獲取的建筑物立面信息，進行建筑物模型構建，可以完成三維場景的快速更新。

二、 數據采集與處理

（一）三維激光點云的采集與處理

激光點云數據采集完畢后，輸入各站點的控制點坐標值，根據同一地物的3站掃描點云數據應該重疊的原理，首先對任意3站點云數據進行旋轉操作直到相互重合為止，然后其他站點同樣通過旋轉的方式與前3站中的任一站點云數據重合，如此完成全部站點的點云粗配準工作。利用著名的迭代最鄰近（Iterative Closest Point，ICP）算法在站點對應點云中搜尋最鄰近的同名點，根據最鄰近點解求剛體變換的旋轉和平移參數，這里因為站點坐標位置已知，只需要設置求取各站點的旋轉參數即可，通過最鄰近點對的不斷搜索和變換參數的迭代計算完成點云的精配準過程，點云精配準的中誤差控制在2cm以內。生成全部點云的高程直方圖，通過確定直方圖中的高位、低位點云的分割閾值來剔除點云的高位、低位噪聲，通過搜索點云周圍點數少于3個點的要求移除孤立點云。

（二）激光點云與攝影點云的融合

地面三維激光點云是通過地面激光掃描儀直接量測得到，而攝影測量點云通過二維圖像序列估計三維結構獲得，因此，激光點云的精度要明顯優于攝影測量點云的精度。對于無人機傾斜攝影測量點云，先用點云噪聲去除方法刪除孤立、高位和低位噪聲，再采用漸進式三角網加密算法，通過設置最大建筑物尺寸、迭代角度和迭代距離參數過濾掉地面點類而保留其非地面點類（含建筑物、樹木、路燈等），根據傾斜攝影點云中的非地面點云（大部分為建筑物）與激光點云的非地面點云的重合部分，以地面激光點云為基準，通過ICP配準算法尋找并匹配非地面點云中的同名特征點，最終將傾斜攝影點云精確匹配到地面激光點云中，二者的匹配精度為9cm，形成了研究區域地形地物的完整點云數據。

三、 三維場景重建關鍵技術

（一）無人機影像幾何糾正

由于無人機影像的相幅較小，在進行影像糾正前首先要進行影像拼接，影像拼接使用Photoshop和ENVI結合的方法，無人機影像幾何糾正是將原始的圖像數據投影到平面上，把地圖投影系統賦予原始圖像，使其符合糾正要求形成新的影像。

（二）建筑物模型重建

建筑物模型重建包括：點云數據預處理、特征線提取、模型構建、紋理映射等。點云數據預處理主要包括點云數據配準、噪聲濾除、數據重采樣、數據分割四個方面;模型構建、紋理映射在Revit軟件中進行。

點云數據配準是將多測站掃描數據統一到同一坐標系下，有基于點云數據的拼接和基于測站的拼接。使用較多的是基于同名點的拼接方法，同名點可以是特制的標靶或具有明顯特征的建筑物腳點和地物點。拼接過程要多于4個同名點，以某一站為基準站，根據同名點求取其他測站相對基準站的3個旋轉、3個平移參數。

四、 點云數據配準與三維建模

（一）基于ICP算法的點云配準

設UAV點云為目標點云，記：集合P={pi，i=1，2，3，n}，TLS點云為待配準點云，記：集合Q={qi，i=1，2，3，m}。ICP基本原理是對Q中元素進行多次旋轉、平移、縮放等迭代操作，每迭代一次結束后計算Q與P的誤差或者迭代次數是否達到給定的值，如果達到則認為P和Q配準成功。進行配準時首先任意給定3×3的旋轉矩陣R和3×1的平移矩陣T，誤差函數計算表達式，迭代次數等參數，由于是對同一物體進行采集，因此不存在縮放，不需要給定縮放矩陣。

（二）三維建模

1. 配準數據三維模型

將UAV影像點云數據與TLS點云數據進行配準后，構建其三維模型，建筑物模型的側面信息輪廓分明，建筑物頂部不存在空洞，模型頂部信息完整，配準后的數據同時具備了建筑物屋頂信息和立面信息，三維模型更加完整。

2. 地面模型重建

在去噪后的地面三維激光點云的基礎上，采用漸進式三角網加密算法濾除非地面點云，將保留的地面點云導入Geomagic Studio軟件中，在點云編輯階段，通過“著色點”工具增強點云的可視化效果，通過“體外孤點”和“非連接項”工具選擇并刪除孤立噪聲點云，在“減少噪聲”工具中選擇“積極棱柱形”進一步減少遠離曲面模型的噪聲點云，根據“曲率采樣”工具保留高曲率區域內的點來保留地形的細節，設置90%的數據量來進行曲率采樣。

五、 結語

激光點云數據與無人機影像集成構建的三維場景可以提高真實感、豐富模型的幾何細節及紋理細節、提高模型的幾何精度。但激光點云與影像配準自動程度比較低，三維建筑物模型與二維影像配準技術仍不成熟，難以達到自動配準，無人機影像中建筑物邊界自動提取和建筑物立面的配準將是日后研究的方向。

參考文獻：

[1]李永強，劉會云，曹鴻，等.基于空-地多源數據融合的建筑物精細建模研究[J].測繪工程，2015，24（8）：1-4，10.

[2]王峰.集成RTK的三維激光掃描技術測量地形的方法[J].測繪通報，2017（3）：78-82.

作者簡介：

紀靜靜，北京市煤氣熱力工程設計院有限公司。