張立偉

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100039)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)作為一項實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是近年來快速發(fā)展的一項全自動、高精度、高分辨率的立體采集技術(shù)。它通過高速激光掃描測量的方法，快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)，得到被測物體表面的海量“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生，為勘察和測量提供了更加快捷、有效的方式，它具有快速性、非接觸性、高密度、高精度、采集自動化程度高等特點(diǎn)，可以快速獲取掃描目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，為目標(biāo)矢量模型的建立提供充足的數(shù)據(jù)來源。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性；傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物，傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器，同時從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影的局限。借助無人機(jī)，可用于影像數(shù)據(jù)的快速采集，實(shí)現(xiàn)全自動化三維建模；傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM等多種成果。

無人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，以其明顯優(yōu)勢，很快就在測繪行業(yè)中脫穎而出，目前兩種技術(shù)已較多地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查測繪領(lǐng)域。但是在應(yīng)用過程中，兩者都存在一些不足，無人機(jī)傾斜攝影可以快速獲取平面精度較高的DOM數(shù)據(jù)，但是其高程精度較差，并且在近地面區(qū)域會出現(xiàn)盲區(qū)，而且需要布設(shè)較多的像控點(diǎn)以提高精度；而地面三維激光掃描能有效地獲取地面高精度高程數(shù)據(jù)，但受視角的限制，在一定高度以上也容易出現(xiàn)盲區(qū)；機(jī)載雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展一定程度上可以同時發(fā)揮無人機(jī)與三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢，但其設(shè)備價格較為昂貴，不利于項目成本的控制。故綜合考慮技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素，并結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)，若將兩種技術(shù)加以結(jié)合構(gòu)建空地一體化測繪，各自發(fā)揮優(yōu)勢則可以達(dá)到較好的效果，一是三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較好的矢量特性，可以用于提高影像數(shù)據(jù)的高程精度；二是兩種技術(shù)所覆蓋區(qū)域能夠互為補(bǔ)充，提高數(shù)據(jù)整體覆蓋率。

綜上所述，本文基于空地一體化測繪技術(shù)概念的提出，從地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查測繪工作應(yīng)用方面入手，開展技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究和精度指標(biāo)研究，并對應(yīng)用效果進(jìn)行評價。

2 空地一體化測繪技術(shù)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

本文提及的空地一體測繪技術(shù)是基于三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)提出的，以三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與機(jī)載影像數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，同時結(jié)合與三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集的近景影像數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，形成空地一體化測繪的技術(shù)架構(gòu)與完整數(shù)據(jù)體系，如圖1所示。

圖1 空地一體化測繪技術(shù)架構(gòu)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

目前，對于傾斜攝影測量與三維激光掃描相結(jié)合的空地一體化測繪，行業(yè)內(nèi)眾多文獻(xiàn)中提出的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像模型數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，常用方法是點(diǎn)云數(shù)據(jù)為無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的處理提供精確的位置信息，即在測站層面進(jìn)行的數(shù)據(jù)融合配準(zhǔn)過程，這種方法在較大的城市場景下得到了較好的應(yīng)用效果[1]，但在非人工建成區(qū)域(例如山區(qū))的自然特征提取較難，需要考慮采用其他的融合處理方式來開展。

而隨著硬件工藝水平的不斷發(fā)展，一方面具有高水平地面分辨率的攝影鏡頭組合的推出推動了傾斜攝影技術(shù)不斷突破原有的精度局限，另一方面無人機(jī)飛控技術(shù)智能化精細(xì)化的發(fā)展則推動了航攝流程的不斷簡化，這使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)在相對微觀層面的融合成為可能，即多點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合處理技術(shù)，可歸納為時空基準(zhǔn)及精度、尺度、語義3個層面的一致性處理。時空基準(zhǔn)與精度一致性處理主要為建立特定場景下的統(tǒng)一性模型，尺度一致性處理則為了削減不同密度和精度的點(diǎn)云對同一目標(biāo)表達(dá)的尺度差異，語義一致性處理則是為了利用不同數(shù)據(jù)對于同一對象的不同細(xì)節(jié)的表達(dá)[2]。

2.3 一致性處理的關(guān)鍵點(diǎn)分析

而從文獻(xiàn)[2]中可得知，這三個層面的一致性處理存在一些關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)時空基準(zhǔn)與精度一致性：主要是點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)環(huán)節(jié)[2]，會對時空基準(zhǔn)和精度一致性產(chǎn)生決定性影響，對于城市場景來看，多點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)主要分為基于特征提取的配準(zhǔn)方法和基于局部特征匹配初值的迭代最近點(diǎn)(ICP)配準(zhǔn)兩個主要步驟，但對于自然場景居多的山區(qū)環(huán)境來看，與前文一樣，會存在特征提取的問題，故需要根據(jù)地形特征來進(jìn)行特征提取。

(2)尺度一致性：在城市場景下，尺度一致性主要是為了解決點(diǎn)云的冗余和矛盾問題，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效利用，因?yàn)槌叨鹊牟灰恢聲@著影響對多種點(diǎn)云重疊區(qū)域所表達(dá)的對象的準(zhǔn)確判讀。在自然場景則更多考慮的一是地形精細(xì)程度，二是地形數(shù)據(jù)覆蓋的完整程度，從此種意義上看，點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的尺度(密度)的差異主要會影響局部地形的匹配精度情況，因此也需要進(jìn)行一致性處理，但主要是基于地形特征的正確匹配方面考慮而并非在語義方面。

在數(shù)據(jù)處理開始之前，首先要進(jìn)行的是尺度一致性處理，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云化處理后，其點(diǎn)云密度與影像分辨率直接相關(guān)。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的尺度差異如果過大，將直接導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行的融合過程失敗，本文中主要討論的是地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的融合，地面掃描點(diǎn)云密度可以在毫米級和厘米級之間切換，而目前無人機(jī)影像分辨率在地形平緩區(qū)域能達(dá)到的最小值大約在 1 cm～2 cm之間，一般分辨率在 2 cm～5 cm之間，故在實(shí)際工作中，一般考慮將兩種數(shù)據(jù)尺度(密度)控制在 1 cm～ 5 cm間較為合理。

(3)語義一致性：與上一條類似，需要判定的對象類型越少，那么語義的一致性處理則更易于達(dá)到，在自然場景下，需要判讀的語義信息并不豐富，故在一般情況下，一致性處理的影響并不顯著。

因此，綜上所述，在地質(zhì)調(diào)查工作所處的山區(qū)環(huán)境下，語義一致性不是優(yōu)先考慮因素，尺度一致性更多的是作為融合處理的前提存在。因此需要考慮的關(guān)鍵因素在于時空基準(zhǔn)和精度的一致性處理。在下面的章節(jié)中，將結(jié)合具體的數(shù)據(jù)實(shí)例來進(jìn)行分析。

3 時空基準(zhǔn)和精度一致性處理

下面我們在相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)調(diào)查治理項目中，選取了同時進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)采集的4個山體區(qū)域作為實(shí)例進(jìn)行融合試驗(yàn)，數(shù)據(jù)基本情況如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)實(shí)例

3.1 單種數(shù)據(jù)處理精度指標(biāo)對配準(zhǔn)結(jié)果的影響

首先從兩種數(shù)據(jù)單獨(dú)的精度指標(biāo)出發(fā)，例如點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度、傾斜影像的分辨率等方面，通過數(shù)據(jù)實(shí)例的試驗(yàn)來對此種匹配方法涉及的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)方面，在起算控制點(diǎn)精度一定的情況下，精度主要受兩方面因素影響，一是特征點(diǎn)初步匹配的精度即特征點(diǎn)位置中誤差，二是配準(zhǔn)精度即配準(zhǔn)中誤差，根據(jù)以往項目經(jīng)驗(yàn)，特征點(diǎn)位置中誤差對配準(zhǔn)中誤差指標(biāo)造成直接影響，故對此兩種精度因素應(yīng)進(jìn)行聯(lián)動性考慮。影像數(shù)據(jù)方面，在起算控制點(diǎn)精度一定且不考慮部分像片質(zhì)量異常的情況下，精度主要受兩方面因素影響，一是區(qū)域范圍的影像平均精度即影像分辨率，二是受像片POS精度和影像分辨率影響的影像匹配精度即特征點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，故對此兩種精度因素亦進(jìn)行合并考慮。

基于上述兩種數(shù)據(jù)的多點(diǎn)云融合，在自然場景下實(shí)質(zhì)上是地形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的融合處理，一方面利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高密度特性來對低分辨率的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行近地區(qū)域的細(xì)化，另一方面則是利用點(diǎn)云的高位置精度特性來對整體模型進(jìn)行精確定位，影像數(shù)據(jù)則主要用于為最終的融合處理提供必要的地形初值數(shù)據(jù)。

上述4組數(shù)據(jù)中影像數(shù)據(jù)的匹配精度從上至下分別為 5 cm、 3.5 cm、 2 cm和 1.2 cm，相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度最大值為 9.5 mm。利用相關(guān)軟件進(jìn)行融合處理時，除精度為 5 cm的實(shí)例數(shù)據(jù)外，其他三組數(shù)據(jù)均融合成功，而其他幾組數(shù)據(jù)則均融合成功且都具有較好的融合效果，無分層現(xiàn)象產(chǎn)生，由此可看出影像處理精度會對融合的成功率造成影響。

然后進(jìn)一步分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度對于融合精度的影響，從上面試驗(yàn)來看，當(dāng)點(diǎn)云精度達(dá)到 10 mm以內(nèi)時，數(shù)據(jù)融合處理過程能高質(zhì)量完成，而針對 3.5 cm、 2 cm和 1.2 cm這三種影像精度的數(shù)據(jù)，我們將點(diǎn)云的配準(zhǔn)精度分別控制在 10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm以及 40 mm～50 mm區(qū)間，來分別進(jìn)行融合處理，對融合結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

融合結(jié)果統(tǒng)計 表1

從表1中可看出，一是只有將點(diǎn)云精度控制在 20 mm以內(nèi)時，融合處理才不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，故可以考慮將 20 mm作為點(diǎn)云配準(zhǔn)精度的閾值；二是影像的配準(zhǔn)精度也盡可能高，這一點(diǎn)可以理解為地形數(shù)據(jù)的初值應(yīng)盡可能達(dá)到較高的精度水平，從而達(dá)到對融合多點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效質(zhì)量控制的目的。

3.2 特征提取方法的選用

除了需要關(guān)注單種數(shù)據(jù)的精度指標(biāo)影響外，還需要重點(diǎn)關(guān)注的是多點(diǎn)云融合的特征提取方法，主要可按照點(diǎn)、線、面3種特征單元進(jìn)行分類，分為特征提取、同名特征識別以及轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取三個步驟，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)工作，其中點(diǎn)提取和線提取主要適用于城市場景，在自然場景下更多的還是需要考慮面特征提取，即局部地形面特征提取的方式來開展，以上述4個數(shù)據(jù)樣本作為例子，數(shù)據(jù)的特征匹配更多的體現(xiàn)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的覆蓋與影像數(shù)據(jù)的覆蓋具有一定規(guī)模的公共區(qū)域，例如大面積的裸巖區(qū)域、山區(qū)道路等，從而保證多點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確融合。

4 結(jié) 論

基于傾斜攝影測量與地面三維激光掃描技術(shù)的空地一體化測繪技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，最關(guān)鍵的問題在于需要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與影像組成的多點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合處理，而多點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合處理過程中，時空基準(zhǔn)與精度一致性處理環(huán)節(jié)則是重中之重，一方面在確保影像數(shù)據(jù)精度達(dá)到適宜的精度水平基礎(chǔ)上(一般應(yīng)控制在 3 cm以內(nèi))，盡可能提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度，使精度水平控制在 2 cm以內(nèi)；另一方面則應(yīng)盡可能地提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)覆蓋的公共區(qū)域，為融合處理的特征匹配提供盡可能多的面狀特征因素，從而確保多點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確融合。

另外，目前主要是在較小的自然場景下的空地一體化測繪技術(shù)的應(yīng)用開展研究工作，針對較大區(qū)域范圍的自然場景下的技術(shù)應(yīng)用研究還有待進(jìn)一步開展。