傾斜攝影測量與地面激光掃描技術(shù)的三維建模研究與應(yīng)用

孟凡超，董 帥

(1.遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 遼源 136201； 2.中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250000)

城市實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集多是采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，一般要將專用的多視鏡頭置于無人機(jī)中，便于高效獲取所需的三維信息[1]。相對于傳統(tǒng)的航空攝影方式，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢顯著，可通過不同角度采集地面信息，使遙感影像應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。采用傾斜攝影測量技術(shù)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(yàn)，減小了成本，形成的城市場景和人類視覺系統(tǒng)比較相符，應(yīng)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(dǎo)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(tǒng)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(shí)間內(nèi)完成大量的目標(biāo)坐標(biāo)測量，因此在三維模型構(gòu)建過程中可采用激光掃描方式，結(jié)合得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(qū)等問題，導(dǎo)致模型應(yīng)用效果受到影響。

結(jié)合上述問題進(jìn)行深入分析，將激光掃描和傾斜攝影測量技術(shù)相結(jié)合，以全面獲取地物坐標(biāo)信息，彌補(bǔ)了單一方法的缺陷，提升了模型精度。

1 技術(shù)路線

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

圖1 主要技術(shù)路線Fig.1 Main technical route

2 具體實(shí)施過程

2.1 傾斜影像建模處理

傾斜影像及POS數(shù)據(jù)整理。針對iCam Q5相機(jī)采集的航片及POS數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行存儲和管理，各個(gè)航片和POS數(shù)據(jù)之間保持一一對應(yīng)關(guān)系。通過Smart 3D進(jìn)行處理，導(dǎo)入已經(jīng)整理的信息。

標(biāo)記控制點(diǎn)及空中三角測量。在做空三加密計(jì)算之前，先做像控點(diǎn)的刺點(diǎn)，地面上像控點(diǎn)做好之后，在無人機(jī)拍攝的像片上標(biāo)出其所在的位置，使外業(yè)采集的像控點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與無人機(jī)航攝像片上的點(diǎn)位坐標(biāo)一一對應(yīng)，使其精度提高[4]。針對控制點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)入之后，對圖像控制點(diǎn)的位置進(jìn)行自動判斷，在編輯器設(shè)置圖像控制點(diǎn)，在圖像列表內(nèi)添加對應(yīng)的圖片。在此列表中，選取不同視角的相同圖像控制點(diǎn)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(jì)算結(jié)果對三維重建至關(guān)重要，空三計(jì)算能自動估算每個(gè)輸入影像組的屬性及影像的姿態(tài)信息，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖2 控制點(diǎn)刺點(diǎn)過程Fig.2 Control point puncturing process

圖3 空中三角測量結(jié)果Fig.3 Aerial triangulation results

三維重建。空三結(jié)束后，進(jìn)行瓦片分化、范圍與幾何約束等操作，最終生成測區(qū)三維模型。受到光照等因素影響，在采集建筑傾斜影像時(shí)存在一定盲區(qū)，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(dǎo)致下部區(qū)域結(jié)構(gòu)存在缺失，降低了模型質(zhì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是利用有效點(diǎn)云信息進(jìn)行三維重建及障礙物感知的基礎(chǔ)，是點(diǎn)云拼接環(huán)節(jié)的前提。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能存在噪聲等問題，直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)會影響后續(xù)的處理效果，因此必須先進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云預(yù)處理工作包括地面點(diǎn)云去除、點(diǎn)云濾波和點(diǎn)云分割[5]，點(diǎn)云預(yù)處理在 Magnet Collage中可進(jìn)行自動處理。

點(diǎn)云拼接。也稱點(diǎn)云配準(zhǔn)，主要采用兩種類型的點(diǎn)云拼接方法，各方法的基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)云不理想，操作量大，所以很少運(yùn)用此方法。第二類是自動拼接方法。直接在軟件中導(dǎo)入點(diǎn)云，結(jié)合其坐標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動拼接，此方法基于ICP算法，操作簡單且對計(jì)算機(jī)配置要求不高。如圖5所示，點(diǎn)云拼接完成。

圖5 綜合樓點(diǎn)云Fig.5 Point cloud of comprehensive building

點(diǎn)云建模。本次點(diǎn)云處理是在Magnet Collage完成后，將導(dǎo)出的點(diǎn)云在瞰景Smart 3D中進(jìn)行處理。把導(dǎo)出的綜合樓靜態(tài)點(diǎn)云(.LAS)文件添加至空三任務(wù)中，之后進(jìn)行三維重建。圖6可見，建筑物頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏，出現(xiàn)大面積的丟失現(xiàn)象，綜合樓模型效果受到影響。

圖6 三維點(diǎn)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(shù)點(diǎn)云融合建模

融合過程中應(yīng)保證激光點(diǎn)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(xù)應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)[6]。應(yīng)對控制源進(jìn)行合理設(shè)置，例如：使用激光點(diǎn)云形成的定位信息，可保證傾斜影像得到的點(diǎn)云分布密度滿足使用標(biāo)準(zhǔn)?；陬癝mart 3D中無人機(jī)傾斜攝影工程，在工程中導(dǎo)入三維點(diǎn)云文件，點(diǎn)云文件與傾斜攝影點(diǎn)云一起空三計(jì)算，對融合的點(diǎn)云三維重建，最終形成建筑物精細(xì)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(zhì)量分析

3.1 紋理結(jié)構(gòu)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(yè)技術(shù)學(xué)院”這8個(gè)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(yōu)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(shù)據(jù)，可達(dá)到較高的點(diǎn)云模型配準(zhǔn)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(shù)值，在模型中測定對應(yīng)距離、高度。在此基礎(chǔ)上，對融合模型與全站儀、鋼尺之間的差值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)詳見表1。通過對比可以看出，相對于傳統(tǒng)的傾斜攝影測量建模方式，融合建模在精度上具有明顯優(yōu)勢。

表1 實(shí)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(jié)論

利用地面激光掃描技術(shù)，在傾斜攝影建?；A(chǔ)上進(jìn)行三維實(shí)景融合建模。實(shí)驗(yàn)表明，融合建模在精度上優(yōu)于傾斜攝影測量建模，且紋理結(jié)構(gòu)更加完整，有效解決了模糊、失真情況，相對于傳統(tǒng)建模方法，具備顯著優(yōu)勢，具有一定的可行性和適用性。