基于傾斜攝影測(cè)量與激光掃描技術(shù)的融合建模研究

孫佳明，李 慧

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

近年來，實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略之一。實(shí)景三維模型是構(gòu)建數(shù)字孿生城市最直觀的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為城市和工程項(xiàng)目建設(shè)提供全流程的可視化支撐，已成為我國(guó)新型基礎(chǔ)測(cè)繪的標(biāo)準(zhǔn)化成果之一[1]。實(shí)景三維模型可為工程全周期提供設(shè)計(jì)藍(lán)圖與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相結(jié)合的視覺體驗(yàn)，可將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等信息整合到統(tǒng)一數(shù)字底座上進(jìn)行展示[2]，目前主要應(yīng)用于工程區(qū)域環(huán)境展示、工程進(jìn)度匯報(bào)、設(shè)計(jì)方案展示等方面[3- 5]。

傾斜攝影測(cè)量和激光雷達(dá)掃描技術(shù)是目前構(gòu)建實(shí)景三維模型構(gòu)建的重要手段。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過傳感器以不同視角進(jìn)行拍攝，快速獲取測(cè)區(qū)豐富的數(shù)據(jù)信息，然后通過影像密集匹配、空三計(jì)算、映射表面紋理等數(shù)據(jù)處理工作，構(gòu)建目標(biāo)地物的真實(shí)客觀情況，提供測(cè)區(qū)的三維數(shù)據(jù)信息[6]。

傾斜攝影測(cè)量主要通過無人機(jī)搭載多角度影像采集相機(jī)以獲取完整、準(zhǔn)確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，提升建模效果。該技術(shù)有著成本低、人工干預(yù)少、效率高、可獲得更真實(shí)的視覺效果等優(yōu)勢(shì)，是目前大場(chǎng)景實(shí)景三維模型生產(chǎn)的重要技術(shù)手段[7- 8]。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于受到天氣、場(chǎng)景環(huán)境、航高、數(shù)據(jù)處理算法等因素的影響和限制，通過影像重建的三維模型往往存在凸包、空洞、拉花等缺陷，特別在多以弱紋理覆蓋為主、地形起伏較大的水電工程項(xiàng)目中，傾斜影像自動(dòng)匹配難度較大、房屋等矮小建筑物分布密集，飛行器姿態(tài)變化引起的誤差、影像分辨率引起的同名點(diǎn)匹配誤差都容易造成建筑物側(cè)面或屋檐底部模型粘連，建模效果不佳。對(duì)于存在缺陷的單體建筑物三維模型可通過人工修模的方式進(jìn)行模型優(yōu)化，但對(duì)于大場(chǎng)景建模而言，人工優(yōu)化的方式不僅生產(chǎn)效率低還增加了工程成本和人力投入，不能滿足日常項(xiàng)目生產(chǎn)的需要，這也是目前工程項(xiàng)目和實(shí)際生產(chǎn)中三維建模面臨的普遍問題。

激光掃描技術(shù)作為一種非接觸式的主動(dòng)測(cè)量技術(shù)[9]，可在天氣條件不理想的情況下進(jìn)行作業(yè)。該技術(shù)通過搭載在不同平臺(tái)上的激光掃描儀通過面狀掃描獲取目標(biāo)地物表面的三維坐標(biāo)信息，以較高數(shù)據(jù)采集效率獲取海量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)，生成地物的數(shù)字表面模型，同時(shí)利用激光掃描儀搭載的相機(jī)拍攝影像為點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦色，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維可視化效果更接近于真實(shí)場(chǎng)景。激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、人員易操作、安全性高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可大幅度降低外業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度，極大提高數(shù)據(jù)采集效率，為項(xiàng)目生產(chǎn)提質(zhì)增效。獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有密度高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在文物修復(fù)與保護(hù)、電力巡檢、數(shù)字礦山[10- 11]等領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。但是目前由于儀器設(shè)備的限制，該技術(shù)還存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)掃描儀視角場(chǎng)以外的地方，例如建筑物頂部等區(qū)域往往出現(xiàn)因視角盲區(qū)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)掃描不完整的情況，以及搭載的同軸相機(jī)拍攝視角不佳導(dǎo)致的影像紋理欠缺等問題。

由此可見，如果利用單一的數(shù)據(jù)源進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，雖然都有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中都不能很好地滿足人們對(duì)于三維信息的需求。本文通過深入分析激光雷達(dá)掃描技術(shù)與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)景三維模型構(gòu)建中存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，見表1，擬將兩種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，開展激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影測(cè)量影像的融合建模實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源建模存在的缺陷，探究融合建模技術(shù)在提升模型效果方面的可行性，提高模型精度和質(zhì)量，增加模型的可量算性和實(shí)際應(yīng)用的可靠性。

表1 實(shí)景三維建模方法對(duì)比

2 關(guān)鍵技術(shù)與主要流程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在融合數(shù)據(jù)處理前，首先需要準(zhǔn)備覆蓋測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的傾斜攝影影像、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)文件。如果是機(jī)載激光雷達(dá)還需準(zhǔn)備航跡數(shù)據(jù)，并檢查二者坐標(biāo)系是否一致，如不一致則需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。待航跡和激光點(diǎn)云坐標(biāo)系匹配以后，再導(dǎo)入軟件中進(jìn)行激光點(diǎn)云和影像點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)和建模。

2.2 基于傾斜攝影測(cè)量的三維模型重建技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)突破了以往只能從空中垂直拍攝的局限性，通過將多臺(tái)傳感器搭載在無人機(jī)上，在空中對(duì)地面進(jìn)行垂直向、多角度傾斜向拍攝以獲取影像數(shù)據(jù)，給予人們符合人眼視覺的真實(shí)客觀世界[12]。目前該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國(guó)土安全、水利電力、應(yīng)急搶險(xiǎn)、城市規(guī)劃管理等領(lǐng)域。

基于傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行建模的關(guān)鍵技術(shù)包括空三加密計(jì)算、密集匹配處理、紋理映射等[13]。空三加密通常利用軟件加載多視角影像數(shù)據(jù)以及采集時(shí)獲取的POS文件，通過光束法構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行整體平差計(jì)算，通過多次解算得到精確的外方位元素，然后通過控制點(diǎn)量測(cè)，得到空三加密成果[14]。是將整體區(qū)域以最佳方式加入控制點(diǎn)坐標(biāo)系并恢復(fù)地物物方位置關(guān)系的過程[15]。影像匹配算法是根據(jù)拍攝的相片自動(dòng)匹配出所有的同名點(diǎn)，然后通過提取大量特征點(diǎn)以構(gòu)成密集點(diǎn)云，得到地表的三維信息數(shù)據(jù)，主要技術(shù)流程如圖1所示。目前，常用的三維建模軟件包括：ContextCapture、瞰景Smart 3D、大疆智圖等，這些均為基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件。

圖1 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模流程

2.3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與傾斜攝影測(cè)量影像融合建模

融合建模的關(guān)鍵點(diǎn)是將傾斜攝影測(cè)量密集匹配過程中產(chǎn)生的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并作為三維模型幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)源。首先，利用傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)空三解算，生成基于影像數(shù)據(jù)的點(diǎn)云。其次，將預(yù)處理后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件平臺(tái)，在融合前需保證兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的一致性，常用的數(shù)據(jù)格式為*.e57和*.las，然后通過配準(zhǔn)將激光點(diǎn)云和影像點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。接著，提交空三進(jìn)行解算，此時(shí)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將會(huì)一同參與空三解算。最后，待融合點(diǎn)云空三解算完成后，將融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，再對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行分割生成三維白模。通常在三維模型重建過程中，軟件會(huì)自動(dòng)從影像中自動(dòng)計(jì)算相應(yīng)的紋理，通過勻光勻色、分辨率設(shè)置等自動(dòng)將紋理映射到三維白模上。部分軟件也可以將賦色點(diǎn)云紋理用于模型紋理貼圖，但是映射效果不如影像紋理映射效果佳。通過兩種技術(shù)進(jìn)行融合建模的主要流程如圖2所示。

圖2 基于傾斜攝影和激光掃描技術(shù)的融合建模流程

3 研究實(shí)施過程

為了評(píng)價(jià)激光點(diǎn)云和影像點(diǎn)云融合后建立的三維模型的效果，本文選取某牌坊作為三維建模對(duì)象開展融合建模實(shí)驗(yàn)。通過架站式三維激光掃描技術(shù)獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過機(jī)載傾斜攝影測(cè)量采集目標(biāo)對(duì)象的影像數(shù)據(jù)。架站式激光雷達(dá)是將由激光測(cè)距儀和反射棱鏡組成的激光掃描儀架設(shè)在地面上，以一定的均勻角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，通過主動(dòng)發(fā)射激光和接收回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，通過解算得到測(cè)站與掃描點(diǎn)之間的相對(duì)坐標(biāo)，聯(lián)合測(cè)站的已知坐標(biāo)解算出物體表面的三維坐標(biāo)，形成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。架站式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高精度的特點(diǎn)，可以對(duì)傾斜攝影在近地面區(qū)域數(shù)據(jù)精度低起到良好的補(bǔ)充作用。傾斜攝影測(cè)量通過空中對(duì)地拍攝可以補(bǔ)充架站式三維激光掃描數(shù)據(jù)頂部因掃描盲區(qū)和視角不夠廣等缺陷造成的數(shù)據(jù)空洞。對(duì)采集的影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，并將融合后的三維模型與基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立的三維模型進(jìn)行對(duì)比分析，以此驗(yàn)證融合技術(shù)對(duì)建模效果提升的可行性。

3.1 數(shù)據(jù)概況

本案例通過機(jī)載傾斜攝影測(cè)量技術(shù)共拍攝78張影像，影像尺寸為5472×3648。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)選用徠卡RTC360掃描獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，視角場(chǎng)水平為360°，垂直為300°，掃描范圍為0.5～130m，掃描速率高達(dá)2000000點(diǎn)/s。

3.2 實(shí)施步驟

利用軟件平臺(tái)對(duì)采集的影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云融合建模處理，主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。新建工程，在軟件中導(dǎo)入采集的影像和對(duì)應(yīng)的POS信息，也可將POS信息提前寫進(jìn)影像里再進(jìn)行導(dǎo)入。對(duì)影像路徑及影像完整度進(jìn)行檢查，確保影像數(shù)據(jù)無誤即可進(jìn)行下一步操作。

(2)空三加密。創(chuàng)建空三任務(wù)，輸入空三任務(wù)名稱，影像數(shù)據(jù)選用所有導(dǎo)入的影像數(shù)據(jù)。設(shè)置姿態(tài)、位置、連接點(diǎn)密度和匹配模式等參數(shù)后即可進(jìn)行常規(guī)空三解算，此次解算過程中，只有連接點(diǎn)參與解算，控制點(diǎn)不參與解算。解算后的影像點(diǎn)云成果如圖3所示。在傾斜攝影測(cè)量得到的大量照片點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入架站激光掃描儀掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)支持格式為*.e57和*.las，如圖4所示。

圖3 傾斜攝影測(cè)量影像空三解算后的點(diǎn)云成果

圖4 架站式激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(3)點(diǎn)云配準(zhǔn)。從導(dǎo)入的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取6個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)信息，將這些點(diǎn)作為人工控制點(diǎn)導(dǎo)入軟件中，在影像點(diǎn)云中進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)工作并提交空三任務(wù)進(jìn)行控制點(diǎn)平差計(jì)算，此時(shí)采用控制點(diǎn)平差計(jì)算對(duì)區(qū)塊進(jìn)行精確配準(zhǔn)處理，平差完成后融合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(4)三維模型重建。確認(rèn)融合后的點(diǎn)云無分層后可進(jìn)行三維重建，設(shè)置重建瓦塊大小、模型坐標(biāo)系原點(diǎn)、發(fā)布數(shù)據(jù)格式等參數(shù)。模型幾何來源選用圖片點(diǎn)云混合構(gòu)建，紋理來源選用圖片紋理，然后提交重建任務(wù)進(jìn)行模型生產(chǎn)，生成的融合后的三維模型效果如圖6所示。

圖6 融合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的三維模型

3.3 模型效果對(duì)比

為更直觀地對(duì)比模型在結(jié)構(gòu)方面的變化，隱藏三維模型的紋理，僅用TIN生成的三維模型白模進(jìn)行融合前后模型效果對(duì)比。由圖7可見，基于傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的模型中避雷針和電線等特征在模型中明顯缺失，屋檐下部存在明顯拉花現(xiàn)象，柱體等表面存在凸包。圖8為基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的模型，可以看到模型中的花紋等細(xì)節(jié)性呈現(xiàn)較好，但建筑物頂部磚瓦存在嚴(yán)重空洞，這主要是由于架站激光掃描儀掃描角度有限，往往存在建筑物頂部掃描不完整的情況。圖9為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)融合后的模型，從圖中標(biāo)注出的紅色圓圈中可以看到，融合后的模型可以完整構(gòu)建避雷針、電線等細(xì)節(jié)特征，屋檐下部結(jié)構(gòu)特征改善較為明顯，柱面相較于傾斜攝影測(cè)量建立的模型更加平整，可見融合后的模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力有所提升，模型質(zhì)量得到了較大程度的提升。并且由于傾斜攝影恰好可以補(bǔ)充頂部視角，因此融合后的模型建筑物頂部結(jié)構(gòu)完好，很好地彌補(bǔ)了地面激光點(diǎn)云建模的缺陷。

圖7 基于傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的模型

圖8 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的模型

圖9 點(diǎn)云融合后建立的模型

4 結(jié)語

采用單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行三維模型生產(chǎn)往往建模效果不佳，不能滿足生產(chǎn)過程中的實(shí)際需求。基于提高傾斜攝影技術(shù)在工程中建模效果的目的，本文通過分析對(duì)比基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建模方法和基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出將二者融合進(jìn)行三維建模的必要性。本文詳細(xì)介紹了融合建模的關(guān)鍵技術(shù)和操作流程，結(jié)合案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展實(shí)驗(yàn)，通過成果對(duì)比分析，結(jié)果表明激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)融合進(jìn)行建模可有效提升模型質(zhì)量，特別是在模型屋檐下部、建筑物頂部等結(jié)構(gòu)方面改善較為顯著，融合后的模型更能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)性，可更好地應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)中。但激光點(diǎn)云與影像點(diǎn)云融合后進(jìn)行模型重建處理的耗時(shí)也會(huì)隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)量的增大而增加，因此還需要進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)云融合處理算法，并且對(duì)建模數(shù)據(jù)處理設(shè)備方面有一定的要求，以增加模型生產(chǎn)效率。