張平

(福州市勘測(cè)院，福建 福州 350108)

1 引 言

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用傾斜攝影裝置同時(shí)快速獲取傾斜三維影像和正射影像，再利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)圖形處理技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)空三處理，經(jīng)過(guò)影像匹配和表面紋理映射等技術(shù)手段，最大限度地真實(shí)還原地表的真實(shí)景物。傾斜攝影技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多角度影像采集，保證高效率、增加精確度、準(zhǔn)確地理定位，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景重建，已成為國(guó)內(nèi)外航測(cè)的主要技術(shù)途徑。但是基于傾斜攝影技術(shù)獲取數(shù)據(jù)資料也有一些尚未克服的缺點(diǎn)，如：傾斜影像自動(dòng)匹配難度大、為保證高精度需大量布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)、建筑底部由于遮擋等因素精度較差等。

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動(dòng)測(cè)量技術(shù)[1]，它可以在多種惡劣觀測(cè)條件下進(jìn)行外業(yè)掃描，大面積快速獲取目標(biāo)物體的表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，形成海量三維激光點(diǎn)云，再利用這些高密度的點(diǎn)云生成三角網(wǎng)，建立目標(biāo)物體的數(shù)字表面模型[2]，同時(shí)可以通過(guò)激光掃描儀內(nèi)置或外接的同軸數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像將點(diǎn)云賦上真彩色，則建立的數(shù)字表面模型就可以實(shí)景呈現(xiàn)掃描物體的真實(shí)場(chǎng)景。三維激光掃描由于其使用簡(jiǎn)單、掃描快速，操作安全且精度高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而該技術(shù)在應(yīng)用上也仍然存在著一些不足之處，如高層建筑物與構(gòu)筑物頂部的掃描盲區(qū)、相機(jī)拍攝視角不理想、后處理軟件處理效率偏低等。

針對(duì)三維激光掃描和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文將兩種技術(shù)手段結(jié)合起來(lái)，互相彌補(bǔ)不足，研究?jī)A斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合方法，并將其用于城市高層建筑的三維建模中。

2 融合建模流程設(shè)計(jì)

三維激光掃描在地面上以一定的角度掃描，直接獲取地表物體的表面三維坐標(biāo)，形成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

傾斜攝影測(cè)量以無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載數(shù)碼相機(jī)，在空中多角度對(duì)地表對(duì)象進(jìn)行拍攝獲取影像數(shù)據(jù)，然后基于多視影像的地表同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行密集匹配，快速獲取地表三維數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)格式一般為JPG等圖片格式，通過(guò)相應(yīng)的軟件平臺(tái)進(jìn)行空三加密和影像密集匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云。

由于密集匹配過(guò)程中產(chǎn)生了大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這就為三維激光點(diǎn)云與傾斜攝影密集點(diǎn)云的融合提供了可操作性。地面三維激光點(diǎn)云的高精度可以彌補(bǔ)傾斜攝影近地面區(qū)域精度偏低的缺陷，而空中無(wú)人機(jī)傾斜攝影則彌補(bǔ)了三維激光頂部掃描盲區(qū)和影像獲取視角不夠廣的缺陷，將兩種方法的點(diǎn)云進(jìn)行融合，再進(jìn)行三維建模，就可以實(shí)現(xiàn)三維模型整體上的高精度，解決傾斜攝影三維建模局部拉花、底部效應(yīng)等問(wèn)題。同時(shí)三維激光掃描可以獲取地面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以免除傾斜攝影測(cè)量外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)的工作，大大提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“辦公室測(cè)繪”。

三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空中無(wú)人機(jī)航空影像與地面三維激光點(diǎn)云的“空地聯(lián)合”，全方位無(wú)死角獲取地表物體的完整表面坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)高精度的三維建模，主要的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影及激光掃描技術(shù)融合的實(shí)景三維重建作業(yè)流程

3 融合建模工程實(shí)施

3.1 地面激光掃描及數(shù)據(jù)處理

地面三維激光掃描進(jìn)行控制測(cè)量獲取真實(shí)地理坐標(biāo)一般有兩種方式：一是將部分測(cè)站設(shè)置在已知控制點(diǎn)上，對(duì)中整平然后再進(jìn)行掃描；二是在掃描的過(guò)程中通過(guò)精細(xì)掃描標(biāo)靶作為點(diǎn)云內(nèi)業(yè)處理的控制點(diǎn)[3]。而獲取標(biāo)靶坐標(biāo)的一般也是兩種方法：將標(biāo)靶架設(shè)在已知控制點(diǎn)上；在已知點(diǎn)上架設(shè)全站儀，用全站儀采集標(biāo)靶坐標(biāo)。而對(duì)于可外接GNSS設(shè)備的三維激光掃描儀，則可通過(guò)外接雙頻GNSS接收機(jī)直接獲取測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。

在外業(yè)掃描上，對(duì)于無(wú)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維激光掃描儀在外業(yè)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需保證兩個(gè)測(cè)站之間有比較明顯的共同面，以保證內(nèi)業(yè)處理時(shí)，不同測(cè)站的點(diǎn)云可以通過(guò)公共面進(jìn)行拼接。本項(xiàng)目采用的Riegl-VZ400i是一款內(nèi)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維激光掃描儀，在搬站的過(guò)程中可以記錄儀器的姿態(tài)位置，并在外業(yè)掃描的過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行拼接，所以只需保證掃描儀各站數(shù)據(jù)能完整采集到目標(biāo)地物點(diǎn)即可，這在一定程度上可以減少測(cè)站的數(shù)量、提高外業(yè)效率。然后結(jié)合項(xiàng)目需求，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣頻率、點(diǎn)云密度，即可一鍵開(kāi)始掃描。

本項(xiàng)目位于福建省福州市高新區(qū)海西高新科技園區(qū)內(nèi)的高新苑小區(qū)，測(cè)區(qū)大小約3萬(wàn)m2，7棟高層居民樓，最高建筑高度達(dá) 100 m。外業(yè)共掃描28站，總計(jì)掃描用時(shí)2個(gè)小時(shí)，外業(yè)掃描完成即完成點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接。掃描測(cè)站布置圖如圖2所示。

圖2 掃描測(cè)站位置略圖

本項(xiàng)目使用的脈沖式掃描儀Riegl-VZ400i具有多重回波技術(shù)，可以“穿透植被”進(jìn)行測(cè)量，測(cè)程達(dá)到 800 m，激光發(fā)射頻率120萬(wàn)點(diǎn)/秒，測(cè)量點(diǎn)位精度高達(dá) 5 mm@100 m，可以實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)內(nèi)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)外業(yè)一邊掃描一邊自動(dòng)拼接，對(duì)于外業(yè)掃描獲取的數(shù)據(jù)，若外業(yè)有部分測(cè)站自動(dòng)拼接失敗，則內(nèi)業(yè)需要對(duì)拼接失敗的測(cè)站手動(dòng)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，拼接完成之后需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波、抽稀處理，通過(guò)這一系列處理即得到了最終的點(diǎn)云成果。

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模

地面激光掃描數(shù)據(jù)可以高精度、高精細(xì)重建測(cè)區(qū)底部數(shù)字表面模型(DSM)，而測(cè)區(qū)高處特別是建筑頂部則是其掃描盲區(qū)，且地面激光掃面數(shù)據(jù)相對(duì)紋理失真較為嚴(yán)重。無(wú)人機(jī)傾斜攝影為從空中多角度對(duì)地俯拍(如圖3所示)，其獲取的多視影像紋理具有高真實(shí)感、高分辨率等特性[4]，可以有效彌補(bǔ)地面激光掃描技術(shù)的上述不足之處。為實(shí)現(xiàn)二者的最佳融合，無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模各個(gè)階段需嚴(yán)格按預(yù)設(shè)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，包括航線設(shè)計(jì)、像控布設(shè)、多視影像空三加密及密集匹配等方面。

(1)航線設(shè)計(jì)要求

①根據(jù)測(cè)區(qū)建筑主體朝向及日照方向布設(shè)航線，航線布設(shè)為“井”字型航線，確保航線方向盡量保持與測(cè)區(qū)橫線及縱線方向一致；航線布設(shè)需考慮地形環(huán)境因素的影響，保證航線及延長(zhǎng)方向的地形高度不影響飛行安全高度。

②為確保建模效果及精度，要求所獲取各角度多視影像地面分辨率優(yōu)于 2 cm，航線敷設(shè)航向重疊度不低于80%，旁向重疊度不低于70%。

③為保證能夠攝區(qū)的完整性及紋理清晰度，要求航線航向覆蓋超出測(cè)區(qū)邊界8條～10條基線，旁向覆蓋超出測(cè)區(qū)邊界3條～5條航線；航線相對(duì)航高需至少比攝區(qū)至高點(diǎn)高出 50 m。

圖3無(wú)人機(jī)傾斜攝影多視影像圖

(2)像控點(diǎn)布設(shè)要求：

①測(cè)區(qū)范圍內(nèi)邊角點(diǎn)要求布設(shè)像控點(diǎn)，其余區(qū)域要求控制點(diǎn)均勻分布，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離在 250 m～300 m之間。

②充分利用現(xiàn)場(chǎng)地形、地物條件進(jìn)行布點(diǎn)，將控制點(diǎn)布設(shè)在清晰的明顯地物，交角良好的線狀地物的交點(diǎn)、明顯地物的折角頂點(diǎn)，如斑馬線直角點(diǎn)、道路拐點(diǎn)及顏色紋理變化分界點(diǎn)處等。

③像控點(diǎn)要求盡量布設(shè)在地表，特殊情況下，也可將點(diǎn)布設(shè)在低矮構(gòu)筑物的拐角處。

像片控制點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 區(qū)域像控點(diǎn)布設(shè)圖

本項(xiàng)目中，由于結(jié)合了三維激光掃描技術(shù)，可以基于激光點(diǎn)云內(nèi)業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)，免除了外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)，基于激光點(diǎn)云進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)的方法如圖5、圖6所示。

圖5 像控點(diǎn)點(diǎn)云坐標(biāo)采集

圖6 像控點(diǎn)影像采集

(3)密集匹配

聯(lián)合傾斜攝影影像數(shù)據(jù)及外業(yè)像控測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多視影像空三加密和密集匹配?？杖用芾肅ontextCapture平臺(tái)加載攝區(qū)影像，按照布控要求，添加一定數(shù)量的控制點(diǎn)，然后通過(guò)光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元[5]，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的物方位置關(guān)系。通過(guò)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云[6]，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。

3.3 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合

通過(guò)密集匹配從航拍影像中抽取了大量的密集點(diǎn)云，這些點(diǎn)云要與三維激光掃描儀掃描獲取的激光點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，如圖7、圖8所示。數(shù)據(jù)融合前要先保證兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的一致性，一般轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云通用格式*.las。由于三維激光點(diǎn)云的精度遠(yuǎn)高于傾斜攝影測(cè)量，因此將兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合的過(guò)程中，以三維激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，使用迭代最鄰近點(diǎn)配準(zhǔn)法，也即ICP算法和人工配準(zhǔn)相結(jié)合的方法，將傾斜攝影密集點(diǎn)云與三維激光點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，從而得到高精度的融合點(diǎn)云模型。

圖7 點(diǎn)云融合效果圖

3.4 模型建立及結(jié)果分析

利用數(shù)據(jù)融合得到的融合點(diǎn)云模型，并由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，再由TIN構(gòu)成白模，軟件從大量?jī)A斜影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景[7]。

建立的白模及進(jìn)行紋理映射后的真三維實(shí)景模型如圖8、圖9所示。

圖8 TIN白模圖

圖9 紋理映射后真三維實(shí)景圖

為了評(píng)價(jià)融合三維激光點(diǎn)云后建立的三維模型與單純無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建立的三維模型效果，分別建立了兩套三維模型，兩套模型的效果如圖10和圖11所示。對(duì)比兩套模型的表面可以直觀地看出，融合了激光點(diǎn)云之后建立的三維模型，墻面更加平整，底部效應(yīng)得到改善、拉花現(xiàn)象明顯減弱，模型效果得到極大優(yōu)化[8]。

圖10 無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模成果

圖11 融合激光點(diǎn)云后三維建模成果

4 結(jié)論和展望

本文將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于城市建筑的三維建模。實(shí)驗(yàn)表明，三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合，有效改善了傾斜攝影測(cè)量三維模型的建模效果，建模精度更加均勻可靠，同時(shí)還免除了傾斜攝影測(cè)量中外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)，提高了外業(yè)效率，降低外業(yè)工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。然而，兩者的結(jié)合也還有一些問(wèn)題有待解決，如在改進(jìn)后的模型中模型效果和精度得到改善，但是卻出現(xiàn)了個(gè)別位置紋理失真的問(wèn)題，地面激光掃描儀仍需要搬站，相比車(chē)載激光掃描儀工作量仍然偏大。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的結(jié)合也是接下來(lái)需要研究的一個(gè)方向。