傾斜攝影測量與地面激光掃描技術的三維建模研究與應用

孟凡超，董 帥

(1.遼源職業技術學院，吉林 遼源 136201； 2.中建八局第二建設有限公司，濟南 250000)

城市實景三維模型數據采集多是采用無人機傾斜攝影測量技術，一般要將專用的多視鏡頭置于無人機中，便于高效獲取所需的三維信息[1]。相對于傳統的航空攝影方式，無人機傾斜攝影測量技術的優勢顯著，可通過不同角度采集地面信息，使遙感影像應用范圍進一步擴大。采用傾斜攝影測量技術生成的三維建模具備了更全面的地理信息，改善了用戶體驗，減小了成本，形成的城市場景和人類視覺系統比較相符，應用前景廣闊，但建模效果往往會受到地形起伏等因素的影響，導致在分辨率及精度方面無法滿足要求[2]。三維激光掃描儀摒棄了傳統掃描過程中的接觸特性，具備較好的測量效率，能夠在單位時間內完成大量的目標坐標測量，因此在三維模型構建過程中可采用激光掃描方式，結合得到的點云數據及影像紋理等，即可建立精度較高的模型。但也存在掃描盲區等問題，導致模型應用效果受到影響。

結合上述問題進行深入分析，將激光掃描和傾斜攝影測量技術相結合，以全面獲取地物坐標信息，彌補了單一方法的缺陷，提升了模型精度。

1 技術路線

三維建模過程中需要生成點云數據，再對構建的TIN三角網執行貼膜處理[3]。采用中海達iFlyD1Pro飛行平臺，搭載傾斜攝影相機iCam Q5，采集某地房屋(房檐遮擋)圖像并進行多站掃描。利用TOPCON GLS-2000掃描儀，在數據采集完成之后進行建模，利用Smart3D工具，將空三加密點云和激光點云融合之后生成對應的三維模型，具體流程如圖1所示。

圖1 主要技術路線Fig.1 Main technical route

2 具體實施過程

2.1 傾斜影像建模處理

傾斜影像及POS數據整理。針對iCam Q5相機采集的航片及POS數據獨立進行存儲和管理，各個航片和POS數據之間保持一一對應關系。通過Smart 3D進行處理，導入已經整理的信息。

標記控制點及空中三角測量。在做空三加密計算之前，先做像控點的刺點，地面上像控點做好之后，在無人機拍攝的像片上標出其所在的位置，使外業采集的像控點的坐標數據與無人機航攝像片上的點位坐標一一對應，使其精度提高[4]。針對控制點進行導入之后，對圖像控制點的位置進行自動判斷，在編輯器設置圖像控制點，在圖像列表內添加對應的圖片。在此列表中，選取不同視角的相同圖像控制點刺入圖像中，具體的界面為圖2所示。瞰景 Smart 3D的空中三角測量計算結果對三維重建至關重要，空三計算能自動估算每個輸入影像組的屬性及影像的姿態信息，得到的結果如圖3所示。

圖2 控制點刺點過程Fig.2 Control point puncturing process

圖3 空中三角測量結果Fig.3 Aerial triangulation results

三維重建。空三結束后，進行瓦片分化、范圍與幾何約束等操作，最終生成測區三維模型。受到光照等因素影響，在采集建筑傾斜影像時存在一定盲區，且建筑物過高使得建筑物上部與下部的照片分辨率差值過大，甚至導致下部區域結構存在缺失，降低了模型質量。傾斜攝影測量綜合樓模型如圖4所示。

圖4 傾斜攝影測量綜合樓模型Fig.4 Model of a complex building with oblique photogrammetry

2.2 三維激光掃描儀點云數據處理

點云預處理。點云數據的預處理是利用有效點云信息進行三維重建及障礙物感知的基礎，是點云拼接環節的前提。原始點云數據中可能存在噪聲等問題，直接應用這些數據會影響后續的處理效果，因此必須先進行預處理。點云預處理工作包括地面點云去除、點云濾波和點云分割[5]，點云預處理在 Magnet Collage中可進行自動處理。

點云拼接。也稱點云配準，主要采用兩種類型的點云拼接方法，各方法的基本原理及優缺點不同。第一類是手動拼接方法。手動拼接由于存在人為因素的影響，會使其精度不高，在接合位置的部分密集點云不理想，操作量大，所以很少運用此方法。第二類是自動拼接方法。直接在軟件中導入點云，結合其坐標點實現自動拼接，此方法基于ICP算法，操作簡單且對計算機配置要求不高。如圖5所示，點云拼接完成。

圖5 綜合樓點云Fig.5 Point cloud of comprehensive building

點云建模。本次點云處理是在Magnet Collage完成后，將導出的點云在瞰景Smart 3D中進行處理。把導出的綜合樓靜態點云(.LAS)文件添加至空三任務中，之后進行三維重建。圖6可見，建筑物頂部點云數據稀疏，出現大面積的丟失現象，綜合樓模型效果受到影響。

圖6 三維點云綜合樓模型Fig.6 3D point cloud comprhensive building model

2.3 傾斜攝影測量與地面激光掃描技術點云融合建模

融合過程中應保證激光點云密度和傾斜攝影影像分辨率基本一致，以保證較好的融合效果，為后續應用奠定良好基礎[6]。應對控制源進行合理設置，例如：使用激光點云形成的定位信息，可保證傾斜影像得到的點云分布密度滿足使用標準。基于瞰景Smart 3D中無人機傾斜攝影工程，在工程中導入三維點云文件，點云文件與傾斜攝影點云一起空三計算，對融合的點云三維重建，最終形成建筑物精細化模型，具體如圖7所示。

圖7 融合建模整體模型Fig.7 Overall model of fusion modeling

3 建筑融合建模模型質量分析

3.1 紋理結構分析

通過圖8所示，融合建模大門處與圖9傾斜攝影建模大門處對比可以看出，融合建模的模型紋理較傾斜攝影模型更加清晰，通過“遼源職業技術學院”這8個大字與LOGO可以看出，融合建模的紋理效果要比傾斜攝影建模更清晰一些。

圖8 融合建模模型Fig.8 Fusion modeling model

圖9 傾斜攝影建模模型Fig.9 Oblique photography modeling model

圖10所示融合建模樓體凹角處與圖11傾斜攝影建模樓體凹角處對比可以看出，融合建模效果的拉花程度優于傾斜攝影建模的效果。

圖10 融合建模局部模型Fig.10 Fusion modeling local model

圖11 傾斜攝影建模局部模型Fig.11 Oblique photography modeling local model

3.2 模型精度

在融合建模方法中采用傾斜攝影測量及三維激光掃描建數據，可達到較高的點云模型配準精度，但幾何精度未知，故用全站儀和鋼尺獲取的距離、高度值作為真值，樓體高度采用全站儀懸高測量的方法得到，臺階寬度及柱間寬度由鋼尺測量獲得數值，在模型中測定對應距離、高度。在此基礎上，對融合模型與全站儀、鋼尺之間的差值進行計算，計算數據詳見表1。通過對比可以看出，相對于傳統的傾斜攝影測量建模方式，融合建模在精度上具有明顯優勢。

表1 實地測量值與融合建模獲取值、傾斜攝影建模獲取值差值 (單位：m)Tab.1 Difference between the field measurement value, the value obtained from fusion modeling, and the value obtained from oblique photography modeling (unit: m)

4 結論

利用地面激光掃描技術，在傾斜攝影建模基礎上進行三維實景融合建模。實驗表明，融合建模在精度上優于傾斜攝影測量建模，且紋理結構更加完整，有效解決了模糊、失真情況，相對于傳統建模方法，具備顯著優勢，具有一定的可行性和適用性。