三維激光點(diǎn)云聯(lián)合無(wú)人機(jī)影像的三維場(chǎng)景重建研究

閆陽(yáng)陽(yáng)，李永強(qiáng)，王英杰，李立雪，吳珍珍

(1. 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000； 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

3D Scene Reconstruction Based on 3D Laser Point Cloud

Combining with UAV Images

YAN Yangyang,LI Yongqiang,WANG Yingjie,LI Lixue,WU Zhenzhen

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三維激光點(diǎn)云聯(lián)合無(wú)人機(jī)影像的三維場(chǎng)景重建研究

閆陽(yáng)陽(yáng)1，李永強(qiáng)1，王英杰2，李立雪1，吳珍珍1

(1. 河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000； 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

3D Scene Reconstruction Based on 3D Laser Point Cloud

Combining with UAV Images

YAN Yangyang,LI Yongqiang,WANG Yingjie,LI Lixue,WU Zhenzhen

摘要：采用空-地多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景精細(xì)重建研究：以三維激光掃描激光點(diǎn)云為基礎(chǔ)，獲取地面可視地物的三維空間信息，以無(wú)人機(jī)航拍獲得的正射影像為輔助，獲取地物頂部三維空間信息，以3ds Max軟件為建模工具對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行重建，系統(tǒng)研究了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型構(gòu)建、三維場(chǎng)景重建等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)例結(jié)果表明，重建的三維場(chǎng)景及模型精度能滿足小范圍場(chǎng)景建設(shè)需要。

關(guān)鍵詞：三維激光點(diǎn)云；無(wú)人機(jī)影像；3ds Max；三維場(chǎng)景重建

三維場(chǎng)景重建是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，傳統(tǒng)的三維建模方式已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)模型高精度的要求。很多城市已基本完成大區(qū)域的數(shù)字城市建設(shè)，小區(qū)域場(chǎng)景更新已經(jīng)成為重要問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)[1-3]。無(wú)人機(jī)影像可以獲取建筑物頂部和地面信息，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的建筑物立面信息，進(jìn)行建筑物模型構(gòu)建，可以完成三維場(chǎng)景的快速更新。當(dāng)前研究建筑物場(chǎng)景建設(shè)的主要方法有基于二維GIS的三維模型構(gòu)建、基于影像的三維模型構(gòu)建、基于激光掃描數(shù)據(jù)三維模型構(gòu)建等：曹峰[4]利用現(xiàn)有的二維GIS數(shù)據(jù)，結(jié)合野外采集的建筑物屋頂屋基高程、紋理信息，根據(jù)建筑物二維邊界生成盒裝的三維模型，然后賦予真實(shí)的表面紋理信息，生成建筑物模型；關(guān)鴻亮等[5]利用真正射影像和DSM結(jié)合構(gòu)建建筑物方法，從影像上提取建筑物邊界線，從DEM和DSM中獲取建筑物高度信息，通過(guò)紋理方式完成建筑物三維場(chǎng)景的建設(shè)；趙?，摰萚6]利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成建筑物三維模型重建；李杰[7]等探討了基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物三維重建的全過(guò)程，給出了模型建設(shè)的成果。本文探討了兩種數(shù)據(jù)的獲取方法，使用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)聯(lián)合無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行三維場(chǎng)景重建的過(guò)程，并對(duì)場(chǎng)景中建筑物模型精度進(jìn)行分析。結(jié)果表明所建模型滿足建筑物三維場(chǎng)景重建需要，為數(shù)字城市小范圍場(chǎng)景重建和快速更新提供了參考。

一、空-地?cái)?shù)據(jù)獲取

地面三維激光掃描技術(shù)是繼GPS之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一前沿技術(shù)，是一種新型的空間數(shù)據(jù)獲取手段。三維激光掃描儀主動(dòng)發(fā)射激光，接收物體的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，獲得掃描的豎直角和水平角，求得物體在激光掃描坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，同時(shí)獲取目標(biāo)物的反射強(qiáng)度和顏色信息[8]。地面三維激光掃描儀能快速獲取建筑物立面、地面、樹木等的三維表面信息。由于建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間對(duì)象存在遮擋現(xiàn)象，點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取時(shí)要進(jìn)行分站掃描，并保證測(cè)站兩兩之間多于4個(gè)同名點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集使用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀，其100 m距離處一次單點(diǎn)掃描精度為5 mm，掃描視角為100°×360°(垂直×水平)，完全能滿足三維場(chǎng)景建設(shè)的需要。根據(jù)測(cè)區(qū)的遮擋情況，考慮到測(cè)站間同名點(diǎn)要多于4個(gè)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程中設(shè)置了15個(gè)測(cè)站，每站測(cè)量只能得到建筑物的部分表面數(shù)據(jù)，多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接可得到場(chǎng)景完整的數(shù)據(jù)。采用基于特征點(diǎn)的拼接方法，相鄰兩站數(shù)據(jù)拼接至少選取4個(gè)同名點(diǎn)，拼接結(jié)果最大單點(diǎn)誤差15 mm，能夠滿足建筑物三維重建的精度要求。

無(wú)人機(jī)遙感與大飛機(jī)航攝相比，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)具有相幅小、分辨率高、色彩真實(shí)等特點(diǎn)，其更適合小范圍、低成本、低精度的測(cè)量任務(wù)[9]。無(wú)人機(jī)能較好地獲取建筑物頂部信息，可以彌補(bǔ)地面三維激光掃描儀無(wú)法獲取建筑物頂部信息的缺點(diǎn)。無(wú)人機(jī)獲取正射影像的方法為：在攝影測(cè)量軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空三加密，利用空三加密的定向成果和高精度匹配編輯獲得的數(shù)字高程模型進(jìn)行影像的數(shù)字微分糾正，經(jīng)過(guò)裁切、鑲嵌、色調(diào)調(diào)整等處理方法，得到以圖幅為單位的正射影像成果數(shù)據(jù)[10]。

二、 三維場(chǎng)景重建關(guān)鍵技術(shù)

1. 建筑物模型重建

建筑物模型重建包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征線提取、模型構(gòu)建、紋理映射等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、噪聲濾除、數(shù)據(jù)重采樣、數(shù)據(jù)分割4個(gè)方面；模型構(gòu)建、紋理映射在3ds Max軟件中進(jìn)行。其中建筑物模型重建流程如圖1所示。

圖1　建筑物模型重建流程

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將多測(cè)站掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，有基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和基于測(cè)站的拼接。使用較多的是基于同名點(diǎn)的拼接方法，同名點(diǎn)可以是特制的標(biāo)靶或具有明顯特征的建筑物腳點(diǎn)和地物點(diǎn)[11-13]。拼接過(guò)程要多于4個(gè)同名點(diǎn)，以某一站為基準(zhǔn)站，根據(jù)同名點(diǎn)求取其他測(cè)站相對(duì)基準(zhǔn)站的3個(gè)旋轉(zhuǎn)、3個(gè)平移參數(shù)。式(1)、式(2)通過(guò)6參數(shù)模型可以將點(diǎn)云配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系下。

(1)

(2)

式中，(X，Y，Z)為點(diǎn)云配準(zhǔn)后坐標(biāo)；(x，y，z)為點(diǎn)云原始坐標(biāo)；Δx、Δy、Δz為平移參數(shù)；α、β、γ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

建筑物模型構(gòu)建的主要目的是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建為三維表面模型，便于后續(xù)的紋理映射。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，包含了大量的冗余信息，建筑物模型構(gòu)建只需要一定的特征線，AutoCAD具有方向性好、線條矢量規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)，借助Cloudworx工具將點(diǎn)云擬合為矢量線。對(duì)不同建筑結(jié)構(gòu)的特征線實(shí)行分圖層式管理，以不同顏色區(qū)分顯示，根據(jù)圖層、顏色不同在3dsMax中對(duì)不同實(shí)體進(jìn)行操作。

紋理映射是提高模型視覺(jué)真實(shí)感的重要手段，是三維場(chǎng)景重建中一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)。3dsMax紋理映射是從二維圖像到三維物體表面的映射，即將紋理空間坐標(biāo)(u，v)及對(duì)應(yīng)的顏色值映射到相應(yīng)的三維物體表面上，得到逼真的三維模型[13]。

2. 無(wú)人機(jī)影像幾何糾正

由于無(wú)人機(jī)影像的相幅較小，在進(jìn)行影像糾正前首先要進(jìn)行影像拼接，影像拼接使用Photoshop和ENVI結(jié)合的方法，無(wú)人機(jī)影像幾何糾正是將原始的圖像數(shù)據(jù)投影到平面上，把地圖投影系統(tǒng)賦予原始圖像，使其符合糾正要求形成新的影像。無(wú)人機(jī)影像幾何糾正的基本步驟如圖2所示。

圖2　無(wú)人機(jī)影像幾何糾正步驟

3. 建筑物模型與影像配準(zhǔn)

建筑物模型與影像配準(zhǔn)即點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像配準(zhǔn)，在激光掃描數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行三維場(chǎng)景重建前，為了保證融合數(shù)據(jù)的可靠性，需要進(jìn)行激光點(diǎn)云系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)影像系統(tǒng)間的配準(zhǔn)，使得空地?cái)?shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)使用的是激光坐標(biāo)系，其屬于獨(dú)立坐標(biāo)系。本試驗(yàn)通過(guò)場(chǎng)景內(nèi)的控制點(diǎn)信息，尋找超過(guò)4個(gè)特征點(diǎn)，如墻角、路燈頂部，測(cè)出其當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的坐標(biāo)，在點(diǎn)云中查找對(duì)應(yīng)點(diǎn)在激光點(diǎn)云下的坐標(biāo)。當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系與激光掃描儀坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角屬于大旋轉(zhuǎn)角，采用基于羅德里格矩陣的大旋轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，求出兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)，將成果由掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)下。

三、 實(shí)例分析

1. 三維場(chǎng)景重建

點(diǎn)云配準(zhǔn)完成后，進(jìn)行噪聲濾除和數(shù)據(jù)重采樣，數(shù)據(jù)重采樣采用的是均勻采樣法，噪聲濾除采用人機(jī)交互濾除。然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割為4棟建筑物、中心花壇等幾個(gè)部分。點(diǎn)云配準(zhǔn)效果如圖3所示。以一棟建筑物為例，使用三維激光掃描軟件Cyclone及配套的AutoCAD插件Cloudworx，根據(jù)點(diǎn)云擬合建筑物結(jié)構(gòu)線，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理成建筑物線框圖，建筑物墻面、門、窗、立柱等結(jié)構(gòu)實(shí)行分圖層式管理，以不同顏色顯示，便于模型重建時(shí)能對(duì)相同實(shí)體進(jìn)行相同操作，建筑物線框圖如圖4所示。將得到的目標(biāo)建筑物線框圖導(dǎo)入3ds Max中，選擇以圖層為節(jié)點(diǎn)層級(jí)，由材質(zhì)劃分，自動(dòng)平滑外部相鄰面等處理，處理后的建筑物三維模型如圖5所示。

圖3　點(diǎn)云配準(zhǔn)效果

圖4　建筑物線框圖

圖5　建筑物三維模型

建筑物側(cè)面紋理影像由數(shù)碼相機(jī)獲取，頂部的紋理信息由無(wú)人機(jī)影像獲取。在獲取建筑物影像后，使用Photoshop對(duì)照片進(jìn)行裁剪、色彩及明暗度等處理，得到紋理映射需要的部分。將紋理圖片存儲(chǔ)到3ds Max的根目錄下，制作材質(zhì)之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等調(diào)整。調(diào)整后效果如圖6所示。

圖6　調(diào)整后效果

建筑物模型與正射影像配準(zhǔn)是三維場(chǎng)景重建的重要環(huán)節(jié)，在建筑物三維模型建立過(guò)程采取的方法是分割處理，完成獨(dú)立建筑物三維模型之后進(jìn)行場(chǎng)景合并。建筑物模型之間坐標(biāo)系的統(tǒng)一在點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程已經(jīng)完成，獨(dú)立建筑物模型的空間位置和相對(duì)位置關(guān)系已知，場(chǎng)景合并階段只需考慮給模型添加真實(shí)背景，豐富場(chǎng)景細(xì)節(jié)，在場(chǎng)景中設(shè)置燈光模擬器，突出虛擬場(chǎng)景的細(xì)節(jié)特征，更好地突出視覺(jué)效果。將所有模型導(dǎo)入同一場(chǎng)景，統(tǒng)一不同模型的相同材質(zhì)，統(tǒng)一渲染環(huán)境和燈光參數(shù)，選擇合適的視覺(jué)方向反復(fù)調(diào)試渲染。其中，三維場(chǎng)景的正射影像如圖7所示。建筑物模型、影像、其他地物等合并后的場(chǎng)景效果如圖8所示。

圖7　正射影像

圖8　合并后效果

2. 建筑物模型精度分析

建筑物模型的誤差主要有以下幾個(gè)來(lái)源：點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集誤差、點(diǎn)云拼接誤差和建模誤差。建筑物是由一系列的幾何體構(gòu)成，如門、窗、立柱等，這些幾何體會(huì)直接影響模型構(gòu)建的質(zhì)量。為了驗(yàn)證構(gòu)建的建筑物模型能否達(dá)到較高的精度，本試驗(yàn)對(duì)比分析了模型中特征點(diǎn)的相對(duì)距離與全站儀測(cè)量的距離。分別選取兩棟教學(xué)樓上的各10個(gè)特征點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分為A、B兩組，使用免棱鏡全站儀測(cè)量特征點(diǎn)，建筑物模型和全站儀采集的特征點(diǎn)相對(duì)距離見表1。

表1　全站儀測(cè)距與三維模型特征點(diǎn)距離對(duì)照分析

四、結(jié)束語(yǔ)

本文基于三維激光掃描數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)影像，對(duì)小范圍三維場(chǎng)景重建及快速更新問(wèn)題進(jìn)行了研究。探討了三維場(chǎng)景重建的幾個(gè)重要問(wèn)題：建筑物模型重建、無(wú)人機(jī)影像幾何糾正和建筑物模型與影像配準(zhǔn)。對(duì)建筑物模型結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置與全站儀測(cè)量的分析比較，驗(yàn)證了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建的建筑物模型能夠滿足精度要求。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像集成構(gòu)建的三維場(chǎng)景可以提高真實(shí)感、豐富模型的幾何細(xì)節(jié)及紋理細(xì)節(jié)、提高模型的幾何精度。但激光點(diǎn)云與影像配準(zhǔn)自動(dòng)程度比較低，三維建筑物模型與二維影像配準(zhǔn)技術(shù)仍不成熟，難以達(dá)到自動(dòng)配準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)影像中建筑物邊界自動(dòng)提取和建筑物立面的配準(zhǔn)將是日后研究的方向。點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)影像集成時(shí)，如果配準(zhǔn)精度較低，場(chǎng)景建設(shè)的目的就無(wú)法達(dá)到。同時(shí)，評(píng)價(jià)建筑物模型構(gòu)建精度的方法還有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張宏偉，賴百煉. 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用前景[J]. 測(cè)繪通報(bào),2012(S0):320-322.

[2]尹玉廷．地面3維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(2)：91-93．

[3]田宗建．3維激光掃描技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(7)：124-125,129．

[4]曹峰. 基于GIS數(shù)據(jù)自動(dòng)生成城市三維模型的技術(shù)探討[C]∥第九屆長(zhǎng)三角科技論壇 (測(cè)繪分論壇) 論文集.南京：蘇、浙、滬測(cè)繪學(xué)會(huì)，2012.

[5]關(guān)鴻亮，江恒彪，曹天景，等．通過(guò)真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場(chǎng)景的方法[J]．測(cè)繪科學(xué)，2009，34(3)：71-73．

[6]趙?，摚瑥堈i．三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在城市建模中的應(yīng)用[J]．城市勘測(cè)，2009(1)：69-72．

[7]李杰，周興華，唐秋華，等．三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用[J]．海岸工程，2011，30(3)：28-33．

[8]毛方儒，王磊．三維激光掃描測(cè)量技術(shù)[J]．宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2005，25(2)：1-6．

[9]李隆方，張著豪，鄧曉麗，等．基于無(wú)人機(jī)影像的三維模型構(gòu)建技術(shù)[J]．測(cè)繪工程，2013，22(4)：85-89．

[10]周曉敏，趙力彬，張新利．低空無(wú)人機(jī)影像處理技術(shù)及方法探討[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(2)：182-184．

[11]王健，靳奉祥，李云嶺，等．三維激光掃描技術(shù)在城市三維數(shù)字景觀建模中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪通報(bào)，2008(S0)：1-6.

[12]盛業(yè)華，張卡，張凱，等．地面三維激光掃描點(diǎn)云的多站數(shù)據(jù)無(wú)縫拼接[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(2)：233-237．

[13]熊友誼，馮志新，陳穎彪，等．利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化建模技術(shù)研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2012(5)：20-23．

[14]張亞．三維激光掃描技術(shù)在三維景觀重建中的應(yīng)用研究[D]．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011．

[15]仇兵．面向三維激光掃描的真實(shí)感紋理映射技術(shù)研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，2009．

引文格式： 閆陽(yáng)陽(yáng)，李永強(qiáng)，王英杰，等. 三維激光點(diǎn)云聯(lián)合無(wú)人機(jī)影像的三維場(chǎng)景重建研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(1)：84-87.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0021.

作者簡(jiǎn)介：閆陽(yáng)陽(yáng)(1990—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)榧す鈷呙钄?shù)據(jù)處理。E-mail:yangzi0510@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41001304)；測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201412020)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2012BAH34B)

收稿日期：2014-11-12

中圖分類號(hào)：P234.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)01-0084-04