萬(wàn)邦旭

臨沂市城市建設(shè)勘察測(cè)繪院，山東 臨沂 276000

1 攝影測(cè)量技術(shù)在施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

（1）在施工監(jiān)測(cè)中應(yīng)用攝影測(cè)量技術(shù)可以先從施工現(xiàn)場(chǎng)采集圖像和視頻數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地捕捉圖像，跟蹤項(xiàng)目的進(jìn)展。該方法僅接受圖像上的進(jìn)度數(shù)據(jù)，不能從三維變化的角度對(duì)施工進(jìn)行評(píng)價(jià)。（2）采用數(shù)字高程模型（DEM）來(lái)反映建筑物高度的特點(diǎn)，利用DEM或數(shù)字地表模型（DSM）來(lái)檢測(cè)目標(biāo)建筑物的高度變化，然后在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中使用文檔對(duì)象模型（DOM）或數(shù)字線圖（DLG）識(shí)別目標(biāo)建筑物的二維變化，從而獲得研究區(qū)域的三維變化信息。（3）將雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與航空成像相結(jié)合，提取建筑物高度和表面變化信息。該方法難以準(zhǔn)確地描述建模對(duì)象在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的屬性，也難以反映其多維特征[1]。

體積元素可簡(jiǎn)稱為體素，廣泛應(yīng)用于三維成像、醫(yī)學(xué)成像和三維打印中。在三維空間中，體素是最小的單位。與曲面模型相比，體素模型能夠更準(zhǔn)確地描述站點(diǎn)上不同元素的信息，而三維模型無(wú)法直接反映真實(shí)的物體側(cè)面紋理。無(wú)人機(jī)拍攝傾斜影像在此基礎(chǔ)上能將正射圖像和傾斜影像相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)表面的三維建模[2]。

2 激光雷達(dá)點(diǎn)云的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

機(jī)載激光雷達(dá)是一種新的空間觀測(cè)技術(shù)，具有高精度、高速度、大范圍數(shù)據(jù)采集等特點(diǎn)，可直接得到地物三維坐標(biāo)。該技術(shù)具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：（1）主動(dòng)運(yùn)作模式。該系統(tǒng)不依賴自然光源，通過(guò)發(fā)射脈沖獲取目標(biāo)的回波信息，不受天氣條件的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕捉。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行24h全天候的地物觀測(cè)，使其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開發(fā)、軍事等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，激光雷達(dá)能直接、快速、精確地接收各種曲面函數(shù)的三維坐標(biāo)信息。（2）激光雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖具有強(qiáng)大的穿透力，在植被密度較高的地區(qū)，可通過(guò)狹縫直接探測(cè)到真實(shí)土壤的三維空間信息。（3）激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)可相互補(bǔ)充，并結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，以取得更多的信息。

近年來(lái)，隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)逐漸成為建模數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化類型，并不斷地對(duì)點(diǎn)云檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化和豐富，利用掃描技術(shù)提高了點(diǎn)云檢測(cè)的數(shù)量和質(zhì)量。這一系列的開發(fā)使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用。比如，數(shù)字化智能城市的概念日益明確，大型、復(fù)雜、語(yǔ)義信息豐富的三維城市模型已成為建設(shè)新型數(shù)字化智能城市的必然要求。但是，傳統(tǒng)三維城市模型建立方法已不能滿足精確、高效的建模要求。采用高密度、高精度的二維點(diǎn)云模型成為當(dāng)前攝影測(cè)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]?；诖?，文章對(duì)國(guó)內(nèi)外傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)模型重建與城市重建的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究與分析。

例如，點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、點(diǎn)云提取、基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形監(jiān)測(cè)和電力線三維重建都比傳統(tǒng)點(diǎn)云模型具有更直接的地理信息。這一特性允許點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與傳統(tǒng)技術(shù)測(cè)量和大地測(cè)量數(shù)據(jù)（如全站儀和GPS數(shù)據(jù)）無(wú)縫連接。目前，全球機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的制造商主要有瑞典Topeye，加拿大Optech，奧地利RIEGL、Leicaals等，由德國(guó)Topsys，美國(guó)Merrick、Frequencymapping等廠商提供專業(yè)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件支持。近年來(lái)，隨著激光雷達(dá)硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了多線激光雷達(dá)等新型激光雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)系統(tǒng)可以擴(kuò)大掃描范圍，增加多個(gè)激光器之間的角度，提高點(diǎn)云密度，適應(yīng)基于組件的可插拔激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同應(yīng)用需求。同時(shí)，該系統(tǒng)具有采集速度快、精度高、地物細(xì)節(jié)信息豐富等特點(diǎn)，可以為施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)建筑物局部施工進(jìn)度提供頂面施工層現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

文章數(shù)據(jù)來(lái)自某建筑工地的無(wú)人駕駛傾斜圖像。試驗(yàn)用無(wú)人機(jī)模型為“大疆精神”4號(hào)消費(fèi)型無(wú)人機(jī)，以2018年12月19日和2019年4月19日拍攝的五點(diǎn)式單體建筑的兩期無(wú)人駕駛飛機(jī)傾斜圖像為例。首次拍攝采用5鏡頭的諾基亞808 PureView攝像機(jī)和像素超采樣技術(shù)，分辨率為300dpi，像素傳感器高達(dá)4100萬(wàn)像素[4]。第2階段配備索尼公司生產(chǎn)的雙鏡頭相機(jī)，分辨率為350dpi，2430萬(wàn)像素。

4 算法原理

4.1 選擇點(diǎn)云和體素的分辨率

點(diǎn)云分辨率公式為

式中：Q為點(diǎn)云質(zhì)量；為物體表面的最小特征尺寸；m為掃描物體表面的點(diǎn)云分辨率。

若點(diǎn)云分辨率為20cm，掃描尺寸為10cm，那么Q=1-(20÷10)=-1，不合適。可以看出，點(diǎn)云的分辨率小于目標(biāo)表面的最小功能，掃描的目標(biāo)無(wú)法恢復(fù)到更大的分辨率。設(shè)置點(diǎn)云分辨率為5cm時(shí)，Q=1-(5÷10)=0.5，可以檢測(cè)目標(biāo)表面的50%細(xì)節(jié)。

體素分辨率是一個(gè)小立方體的頁(yè)面長(zhǎng)度，應(yīng)確定其引用點(diǎn)云分辨率?？紤]到三維模型的數(shù)據(jù)量，體素分辨率應(yīng)該略高于或接近點(diǎn)云分辨率，以確保更精確、更完整地修復(fù)建筑物圖像。

4.2 點(diǎn)云的體素化

三維空間中，每一個(gè)點(diǎn)都有相應(yīng)的體素。在點(diǎn)云txt格式中，體素化過(guò)程主要分為以下三步：（1）確定x、y、z點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最小值和最大值xmin、ymin、zmin、xmax、ymax、zmax。（2）基于點(diǎn)云的分辨率，選擇相應(yīng)的體素分辨率res。體素解析度決定了體素模型到起始點(diǎn)的距離，體素解析率越低，體素化越相似。（3）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每一點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z)，用式（2）計(jì)算體素坐標(biāo)，并對(duì)體素做標(biāo)記。

式中：INT為向下取整；res為體素分辨率；i、j、k為體素的三維坐標(biāo)。

4.3 比較兩期體素模型

比較兩期體素模型的實(shí)質(zhì)是對(duì)兩個(gè)不同維度的三維矩陣做減法，其程序和原則如下：（1）對(duì)三維矩陣的最大行、列和頁(yè)的最大數(shù)目進(jìn)行確定，即L、m、n的最大值；（2）在同維三維矩陣上展開。在三維矩陣中，兩個(gè)維數(shù)不同的矩陣維數(shù)不能相減，必須將兩個(gè)維數(shù)不同的矩陣維數(shù)擴(kuò)展到同一矩陣維數(shù)下，再對(duì)位置元素進(jìn)行相減。首先將最大的L、m、n定義為三維矩陣的行數(shù)、列數(shù)和頁(yè)數(shù)，再將三維矩陣的行數(shù)、列數(shù)和頁(yè)數(shù)分別定義為三維矩陣A和B的對(duì)應(yīng)位置，即完成對(duì)各種度量矩陣的擴(kuò)展。最佳相減三維矩陣在第一階段模型的三維矩陣A中，矩陣元只定義數(shù)字0和1，0表示沒(méi)有體素，1表示有體素；而在第二階段模型的三維矩陣B中，矩陣元只定義數(shù)字0和2，0表示沒(méi)有體素，2表示有體素。用擴(kuò)展過(guò)的第二個(gè)矩陣減小第一個(gè)矩陣，得到4個(gè)結(jié)果，即2、1、0、-1。結(jié)果若等于2，則表示第二階段的變動(dòng)相對(duì)于第一階段有所增加；若等于1，則表示兩階段中無(wú)變動(dòng)；若等于0，則表示無(wú)變動(dòng)；若等于-1則指第二階段相對(duì)于第一階段有變動(dòng)的部分。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

先用Photoscan pro v1.4.5軟件處理兩段傾斜圖像。點(diǎn)云模型分辨率為0.3m，然后使用Cloudcompare2.9軟件進(jìn)行剪切、去噪、配準(zhǔn)。為了得到更好的視覺(jué)效果，將第一階段的點(diǎn)云模型設(shè)為橙色，第二階段的點(diǎn)云模型設(shè)為白色，兩個(gè)處理點(diǎn)云體素。體素分辨率為0.3m，比建筑物的最小功能尺寸稍小，即體素分辨率應(yīng)高于建筑物的體素分辨率。因此，在第二階段，通過(guò)比較兩種體素模型，選取0.2m為目標(biāo)建筑物的體素分辨率，得出與第一階段相比目標(biāo)建筑物體素模型的增加、減少和不變部分。

5.2 結(jié)果分析

在2018年12月19日至2019年4月19日的建設(shè)期內(nèi)，目標(biāo)建筑物的施工進(jìn)度情況大多數(shù)簡(jiǎn)化體素都低于第一階段模型外表面的體素。該項(xiàng)目的進(jìn)展包括覆蓋建筑物的上部以及建筑物左側(cè)的封閉走廊和建筑物內(nèi)部走廊。這一變化對(duì)于監(jiān)測(cè)施工進(jìn)度毫無(wú)意義，而一些體素的變化是場(chǎng)地影像中某些相關(guān)特征的移動(dòng)所致。通常DEM、DSM等表面模型都是二維的，只能表示表面的變化，很難反映出建模對(duì)象的多維性。由于加工精度的損失和誤差的累積，產(chǎn)生了一些假變化，但4個(gè)月以上的施工實(shí)踐證明了其可行性。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章以一種體素模型為基礎(chǔ)，介紹了點(diǎn)云模型和兩階段體素模型的總體流程及比較思路，并對(duì)某工地?zé)o人機(jī)傾斜拍攝的兩階段圖像進(jìn)行了空間位置配準(zhǔn)和體素模型對(duì)比處理，得出如下結(jié)論：該方法簡(jiǎn)單，人工干預(yù)少，能夠監(jiān)控建筑的進(jìn)程；模型并非實(shí)體模型，因此對(duì)微分模型進(jìn)行簡(jiǎn)化沒(méi)有意義；該變化結(jié)果是排除了建筑物表面顏色的幾何變化。在后續(xù)工作中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑物表面顏色變化，以降低數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性損失。