基于低空傾斜攝影與三維激光掃描技術(shù)的城市三維建模研究

李宏宇

(上海市測繪院，上海 200063)

1 引 言

隨著遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展[1，2]，地理信息的三維可視化表達(dá)逐漸成為研究熱點，其在地理國情監(jiān)測、城市模擬、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等多個領(lǐng)域正發(fā)揮著重要的作用[3]。因此，城市三維實景建模對于研究城市的發(fā)展具有重要的意義。

目前，三維建模技術(shù)主要分為3種：人工建模，傾斜攝影建模和激光雷達(dá)建模。人工建模方法模型效果較好，但其制作需要大量人力和制作周期，適用于小范圍、特定目標(biāo)的三維建模。譚仁春和姚嵐[4]針對人工建模的不足，開發(fā)了人機交互的輔助工具，提高了人工建模的效率，但是該方法仍然無法滿足大空間尺度三維建模需求。傾斜攝影測量技術(shù)可實現(xiàn)快速獲取地物不同角度的影像，得到更為詳盡的地物側(cè)面信息[5]，能更直觀真實地反映實際地物特征[6，7]，適用于大范圍建模，但抗光照、風(fēng)速干擾能力差，無法解決因地物遮擋造成的局部紋理扭曲、地物拉花、地物空洞等問題[8～10]。目前的研究大多采用機載激光雷達(dá)進(jìn)行三維建模[11，12]，但其對地物的紋理表達(dá)效果較差，還需對地物進(jìn)行紋理采集，成本高、效率低。因此機載激光雷達(dá)技術(shù)目前大多應(yīng)用于單體建筑的建模，現(xiàn)有研究較少地將機載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于綜合城市三維建模中。

因此，本研究提出一種將低空直升機傾斜攝影與激光雷達(dá)融合建模的方法，將兩種數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一套坐標(biāo)系中進(jìn)行三維重建，獲得高效率、低成本、精細(xì)化的城市三維模型。經(jīng)實驗，該方法可以應(yīng)用于城市復(fù)雜環(huán)境中，取得了較好的效果。

2 技術(shù)路線與方法

本研究基于多源點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的基本原理是利用低空傾斜影像數(shù)據(jù)生成稀疏點云，以精度相對較高的激光點云數(shù)據(jù)為空間參考基準(zhǔn)，以稀疏點云數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，利用ICP算法將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行空間幾何配準(zhǔn)，生成密集點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。最后對其進(jìn)行貼膜處理，生成更高精度的三維精細(xì)化模型。具體流程如圖1所示。

圖1 多源點云數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程圖

3 多源點云數(shù)據(jù)融合建模試驗

3.1 研究區(qū)概況

本研究選取上海市浦東新區(qū)張江科學(xué)城內(nèi)作為研究區(qū)(如圖2所示)，面積約為 2.5 km2，測區(qū)北至上科路，南至環(huán)科路，東至哥白尼路，西至金科路。主要地物類型包括建筑物、水體、公路等，具有較強的城市地物代表性。本研究對該區(qū)域進(jìn)行融合建模試驗。

圖2 2019年張江地區(qū)0.1 mDOM

3.2 多源數(shù)據(jù)獲取

本次試驗利用直升機同時搭載AMC1050傾斜攝影系統(tǒng)和RIEGL AS900機載三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取(如圖3所示)。

將AMC1050傾斜攝影系統(tǒng)搭載在直升機上，同時采用十鏡頭進(jìn)行多角度航攝影像。本實驗區(qū)包含一個架次，航帶間距 120 m，航高約 170 m，曝光點間隔約 20 m，影像間重疊度大于80%，垂直影像的空間分辨率約 3 cm，像控點密度約 5 個/km2～10 個/km2。

圖3 直升機搭載傾斜相機和激光掃描設(shè)備

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)點云數(shù)據(jù)處理

機載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理主要包括2個部分：點云濾波處理以及點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。實驗中，機載激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)極限范圍是 60 m，為了確保數(shù)據(jù)精度，只保留 20 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)，這樣既能夠有效去除數(shù)據(jù)中的噪音點以及無效點，還能夠?qū)?shù)據(jù)量減少，提高后續(xù)的數(shù)據(jù)處理速度。因此首先利用徠卡Cyclone Register360將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行裁剪。

由于機載激光雷達(dá)獲取的點云密度較高，需對其進(jìn)行抽稀處理。體素濾波器將輸入的點云數(shù)據(jù)分割成一個個微小的三維體素網(wǎng)格，以體素網(wǎng)格重心近似代表其他點。統(tǒng)計濾波器原理是計算每個點到與它相鄰的K個點的平均距離。假設(shè)得到的結(jié)果是一個高斯分布，其形狀由平均距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差決定，平均距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外的點，可以被定義為離群點并從數(shù)據(jù)中去除。

(2)傾斜數(shù)據(jù)處理

對于直升機傾斜攝影獲取的影像首先需要進(jìn)行預(yù)處理，從而進(jìn)一步進(jìn)行空中三角測量，得到空中三角測量質(zhì)量報告。分析質(zhì)量報告中關(guān)鍵點、連接點個數(shù)，初步判斷其精度。

首先對傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量處理。研究發(fā)現(xiàn)利用常用軟件ContextCapture自動運行空三加密時，由于對影像畸變校正的能力較弱，通常會出現(xiàn)連接點匹配較差的情況，如圖4所示，會出現(xiàn)錯層等情況，從而影響后續(xù)的三維建模成果。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，利用PhotoScan進(jìn)行空三計算，該軟件空三計算能力強大并且影像畸變糾正高效，將此款軟件運行的空三成果導(dǎo)出并導(dǎo)入ContextCapture進(jìn)行后續(xù)的建模。從3D視圖(如圖5所示)可以看出，通過這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果明顯優(yōu)于ContextCapture，圖6展示了此融合兩款軟件解算方法的基本流程。

圖4 ContextCapture空三計算的錯層情況

圖5 PhotoScan運行空三后導(dǎo)入ContextCapture效果圖

圖6 PhotoScan與ContextCapture融合解算空三建模流程圖

3.4 基于ICP算法多源點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及融合建模

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將處于不同的空間坐標(biāo)系的點集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，即計算出2個空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系[13]。這里采用手動粗配準(zhǔn)與自動精配準(zhǔn)結(jié)合的方法進(jìn)行點云配準(zhǔn)。精配準(zhǔn)采用的是ICP點云匹配算法，而ICP算法的配準(zhǔn)效果與點集的初始位置有很大的關(guān)系，因此不能直接用于點云精配準(zhǔn)，需要利用其他手段進(jìn)行粗配準(zhǔn)之后才能得到較好的效果。

ICP的基本原理是：首先獲取兩個點集的特征點，通過建立特征點間的對應(yīng)關(guān)系解算出兩者之間運動參數(shù)，利用求解出的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)[14，15]。最后，將直升機傾斜攝影影像與配準(zhǔn)之后的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入Context Capture三維建模軟件中，利用該軟件生成城市實景三維模型。

在完成基礎(chǔ)的空三加密后，將激光點云數(shù)據(jù)作為控制基準(zhǔn)面，將上一步生成的空三加密點再次進(jìn)行整體平差，利用點云的幾何特征來提取對應(yīng)特征點，使這些對應(yīng)的點計算出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣，最終將影像匹配的稀疏點云與機載點云最終嵌套在一起，精化了影像在拍攝瞬間的空間位置與姿態(tài)。圖7與圖8分別為激光點云數(shù)據(jù)和空三加密點融合前后示意圖。

圖7 激光點云數(shù)據(jù)和傾斜影像空三加密點示意圖

圖8 激光點云數(shù)據(jù)與傾斜影像空三加密點融合示意圖

當(dāng)密集點云數(shù)據(jù)與機載點云融合之后，形成的點云間隙更小，從而構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)更加密集，最終能夠?qū)崿F(xiàn)地物更豐富的輪廓細(xì)節(jié)，圖9與圖10展示了未加機載點云構(gòu)建的三維模型與加載機載點云構(gòu)建的三維模型局部細(xì)節(jié)對比圖。從圖中可以看出，聯(lián)合傾斜影像和機載點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型在建筑側(cè)面細(xì)節(jié)表達(dá)效果上有明顯改善，輪廓細(xì)節(jié)更豐富準(zhǔn)確，減少了模糊和拉花現(xiàn)象。

圖9 單獨用傾斜影像構(gòu)建的模型示意圖

圖10 聯(lián)合傾斜影像與機載點云構(gòu)建的模型示意圖

4 精度評價

在完成傾斜攝影三維建模之后，需要對傾斜攝影模型進(jìn)行空間位置精度評定。通常是在傾斜模型上選取地面控制點，與外業(yè)實測控制點進(jìn)行精度比較(如圖11、圖12所示)。項目組在浦東新區(qū)張江鎮(zhèn)傾斜攝影項目中選取了一塊區(qū)域通過量測同名點，得到精度統(tǒng)計結(jié)果，如表1所示。從表中可以看出，利用多源點云數(shù)據(jù)生成的三維模型，與外野實測點相比，精度大部分在 10 cm以內(nèi)，得到了較好的結(jié)果。

圖11 外業(yè)控制點采集量測坐標(biāo) 圖12 傾斜攝影模型與外業(yè)控制點比較

傾斜模型精度統(tǒng)計 表1

5 結(jié) 語

本研究分析比較了低空傾斜攝影三維建模與地面激光雷達(dá)三維建模的優(yōu)缺點，結(jié)合傾斜攝影的高效性和機載激光掃描的精確性，提出了傾斜攝影密集匹配點云和機載激光雷達(dá)融合的城市三維實景融合建模方法。在實驗過程中，總結(jié)了一套數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理的流程，包括多源數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法等，提高了三維模型的精度，完善了三維模型的部分紋理細(xì)節(jié)，得到了較好的建模效果。