地面激光掃描聯(lián)合無人機影像的三維模型重建

宋亞恒 劉盼盼

【摘?要】科學技術的快速發(fā)展推動我國整體經濟建設發(fā)展迅速，很多先進科研技術運用到我國各行業(yè)中，使其發(fā)展更為迅速。三維激光掃描技術的誕生是為了解決工業(yè)領域的設計和制造的需求，已經成功且廣泛應用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等各個行業(yè)。

【關鍵詞】地面激光掃描;無人機影像;三維模型重建

引言

時代的進步，科技的發(fā)展使我國快速進入現(xiàn)代化發(fā)展階段的同時，我國各行業(yè)迎來新的發(fā)展機遇。精確的三維模型在城市規(guī)劃、文化遺產保護、房產管理、災害模擬等領域有重要用途。

1地面三維激光掃描技術的應用原理

地面三維激光掃描技術主要用來精確記錄地面的三維空間信息，利用激光測距的原理，全方位記錄各個地面點的相對空間位置，從而得到完整的地面全部數(shù)據點坐標。將坐標以三維影像的方式呈現(xiàn)出來，在計算機中用3D數(shù)字模型來實現(xiàn)還原實地地物地貌信息，從而為建筑工程方案的制定提供可靠依據，同時也大大提高了地面測量的精確度與信息的可利用價值。從一定程度上來看，地面三維激光掃描技術不僅包括掃描儀、數(shù)字成像等硬件設備，還包括一系列數(shù)據處理軟件，共同實現(xiàn)技術效果。

2無人機影像目標檢測

1.基于像素分析的方法，基于像素分析的目標檢測方法通過對序列圖像進行逐像素點的對比，來區(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間連續(xù)性特點，通過灰度值的變化來檢測運動目標。如果場景中不存在運動目標，圖像灰度值就保持穩(wěn)定，相反若存在運動目標，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區(qū)域。例如，針對無人機視頻提出了基于幀差和分塊背景建模的車輛自動檢測算法，具有較高的正檢率。這類方法思路簡單，計算速度快，常用于運動目標的檢測。缺點是應用范圍有限，僅適用于靜態(tài)背景，且背景比較簡單、目標較少的情況。3.背景差分法，背景差分法首先進行背景建模，根據當前幀與背景模型的像素差值確定運動目標。該方法設計簡單，具有良好的魯棒性與實時性，可根據實際情況來確定閾值，其檢測結果能夠直觀反映運動目標的位置、大小和形狀等信息，從而得到比較精確的運動目標信息?；诒尘安罘址?，預先得到純凈無障礙的路面圖像，經過預處理后與待檢測圖像做差分計算完成對路面障礙物的識別。然而，背景差分法對檢測的效果取決于背景的復雜程度，相鄰兩幀圖像的背景越接近，求差后得到的目標區(qū)域也就越完整。因此，建立好背景圖像是該方法的關鍵，也是難點所在。上述兩種方法比較適合于處理無人機處于懸停狀態(tài)下的運動目標檢測，實現(xiàn)簡單，但是處理背景復雜的無人機影像時，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量點云導入到基于Microstation平臺的Terrascan軟件中，為每棟建筑物建立一個圖層利于后續(xù)的編輯修改，利用Terrascan軟件中的“切剖面”工具顯示點云的側面視圖，結合顯示點云的頂視圖和側面視圖，采用“智能線”精確繪圖功能準確勾繪建筑物主體頂部輪廓，根據側面視圖顯示的建筑物點云高度使用“推拉/擠壓”功能構造出建筑物的三維實體模型。除了無人機采集的建筑物的頂部影像和部分立面影像外，還需要用單反相機補拍建筑物立面影像，按建筑物對影像分類后，利用Photoshop軟件的“透視裁剪”裁切圖片，通過“斜切”“變形”等工具糾正影像為立面正射圖。

4點云算法

點云數(shù)據處理內容的相關算法也需要進一步研究：其一，對點云的自動分割算法需要進一步完善，如能自動分割出許多數(shù)據量小、擁有相同特征的點云部分（如雕像的底座、建筑物的門窗、墻壁柱子等局部自動分割出來），即可先對目標建筑物的局部進行建模，然后在將部分模型拼接成完整模型，將點云數(shù)據及工作量分散之后，可以大大降低建模對計算機配置要求，同時能在極大程度提高工作效率，避免數(shù)據處理過程中軟件或系統(tǒng)由于無法承載數(shù)據處理量而出現(xiàn)崩盤狀況;其二，點云數(shù)據的精簡算法也需要進行深入研究及完善，探究如何在保留目標實體特征點云的基礎上，實現(xiàn)其余點云數(shù)據的精簡;基于點云數(shù)據量大的特點而不適用于在數(shù)字城市等的應用中，3Dmax模型數(shù)據量小，在數(shù)據量上占有優(yōu)勢，但3Dmax手動提取特征點云、手動實現(xiàn)建模，因而工作量大，在實際的生產工作中需要花費大量的人力物力財力;綜上所述，實現(xiàn)點云數(shù)據的精簡，在很大程度提高工作效率，減少成本投入。

5建筑測量

城市化建設當中，大多建筑翻修、保護工程需要精密測量。對于建筑自身來說，采用傳統(tǒng)的測量技術與測量儀器，往往實際得出的測量數(shù)據與實際效果相差較大，需要人工對數(shù)據進行調整，來減小圖紙與實際測量的誤差。尤其是在古建筑修復方面，大多古建筑建設時間較長，結構變形嚴重，采用常規(guī)建筑測量手段難度較大，準確性較低，影響古建筑修復設計和施工的順利開展。采用地面三維激光掃描技術，可對建筑空間進行全方面的掃描與測量，按照標準建筑數(shù)據對古建筑結構變形的情況進行檢測和分析，制定最佳的修復方案，達到保護建筑，延長建筑使用壽命的目標。

6多尺度的特征融合

特征提取與表達是目標檢測中的核心問題，深度特征具有強大的特征表達能力和上下文信息提取能力，包含了從低層視覺特征到高層語義特征的豐富表達。如何對各層的特征進行融合、如何對局部特征進行表示均是值得深入探索的問題。

7多源傳感信息融合

僅利用無人機影像中的視覺信息無法獲得理想的檢測精度，可以利用航拍平臺上的多源傳感信息，指導對深度神經網絡進行針對性的優(yōu)化與設計，從而提升檢測速度與精度，這將有助于突破低空航拍影像中多尺度多視角目標檢測的瓶頸問題。

8建模結果

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

結語

聯(lián)合地面三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術重建三維場景的方法涉及激光點云處理技術和無人機傾斜攝影測量技術，該三維建模方案的綜合性強，數(shù)據處理量大，建模周期長，成本也較高，適合于小區(qū)域的高精度三維場景重構。

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（作者單位：中國核電工程有限公司鄭州分公司）