曾錄錄，張 麗

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，市場上出現(xiàn)了越來越多便捷的無人機(jī)，傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展也日趨成熟。作為采集地表信息數(shù)據(jù)的主要工具，無人機(jī)上搭載多鏡頭傳感器（或者單鏡頭搭配云臺(tái)）已成為目前最佳的測量方式，并且建模的成本更低、效率更高。但由于飛行模式和飛行角度存在限制，建筑物外墻也會(huì)存在遮擋，因此對建筑物內(nèi)部無法進(jìn)行拍攝，采集不到相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，同時(shí)對建筑物接近地面的部分也會(huì)拍攝不完全，采集信息不完整。此外，基于此技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模時(shí)，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜或者被周圍地物遮擋的建筑物區(qū)域所生成的模型都容易出現(xiàn)扭曲、變形和空洞等現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)受衛(wèi)星信號(hào)、通視要求等條件限制，在對結(jié)構(gòu)繁雜、范圍較大、拐角較多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取時(shí)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，且不易生成實(shí)景三維模型，而三維激光掃描則可以高效快捷地實(shí)現(xiàn)。因此在需要對一些龐大且復(fù)雜的建筑物及周圍設(shè)施提取信息時(shí)，可借助三維激光掃描儀進(jìn)行測量。掃描后獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)都能直接導(dǎo)入相對應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能快速生成三維模型且展示其各種幾何數(shù)據(jù)[1]，所獲取的數(shù)據(jù)既真實(shí)又可靠，且數(shù)據(jù)在精度控制上要比無人機(jī)攝影測量好[2]。但為符合用戶實(shí)際應(yīng)用需求，對儀器高度的設(shè)計(jì)有一定要求，并且建筑物存在一定高度，需要一定的角度進(jìn)行觀測才能實(shí)現(xiàn)。因此，三維激光掃描儀很難采集到建筑物中上部及一些設(shè)計(jì)獨(dú)特的小部（構(gòu)）件的數(shù)據(jù)信息。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展得比較成熟了。以往的航空攝影測量，只能從垂直于地面的角度進(jìn)行地物拍攝，從而采集地物頂部的數(shù)據(jù)信息，適合于生產(chǎn)正射影像和大比例尺測圖。而傾斜攝影測量通過在同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，或者單鏡頭上搭配可旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，同一時(shí)間內(nèi)從不同角度對地物進(jìn)行拍攝，即可以擴(kuò)大測量范圍又可以獲取地物整體結(jié)構(gòu)影像。此外，大量的像片提供了豐富的地物信息，增加了可用信息數(shù)量，因此可以大大提高模型的生產(chǎn)效率，有效地降低采集三維建模數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。如果采用傳統(tǒng)的人工建模方式對一個(gè)中型或者小型的城市進(jìn)行實(shí)景三維建模，需要2～3 a的時(shí)間才能建成，但是若使用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行建模則只需要小半年左右就能完成。

相比傳統(tǒng)的垂直航空攝影，傾斜攝影測量的航攝方式、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果都有所改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了多方位信息的獲取，為用戶提供了全新的多角度體驗(yàn)，并且能夠獲取更加全面的信息。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)的組成一般包括飛行平臺(tái)（無人機(jī)及配套設(shè)備）、工作人員、傳感器和姿態(tài)定位系統(tǒng)。傳感器包括多鏡頭相機(jī)和用于獲取曝光瞬間的3個(gè)線元素x、y、z的GNSS定位裝置。姿態(tài)定位系統(tǒng)用于記錄相機(jī)曝光瞬間的姿態(tài)，也就是常說的POS系統(tǒng)。

在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，相對航高、地面分辨率、物理像元尺寸三者都要同時(shí)滿足三角比例關(guān)系，并且所使用的專用軟件會(huì)生成一個(gè)飛行計(jì)劃文件，其中包含航線坐標(biāo)和各個(gè)相機(jī)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)位置。在進(jìn)行實(shí)際的無人機(jī)傾斜攝影時(shí)，各個(gè)相機(jī)會(huì)根據(jù)對應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行曝光拍攝[3-4]。

完成影像采集后，需要進(jìn)行影像質(zhì)量檢查。當(dāng)影像質(zhì)量不滿足要求時(shí)，比如存在大面積云霧或圖面模糊等現(xiàn)象，需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)飛。當(dāng)存在色偏時(shí)，如果對成圖有要求，需要進(jìn)行勻光勻色處理。影像質(zhì)量合格后，進(jìn)行幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差及賦予每張傾斜影像坐標(biāo)信息和方向等一系列操作，使得其具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)[5]。

2 三維激光掃描

激光測距系統(tǒng)是三維激光掃描儀中最為主要的部件，該系統(tǒng)的激光發(fā)射器規(guī)律性地在二極管中發(fā)射出脈沖信號(hào)，然后此信號(hào)在建筑物表面發(fā)生漫反射后由接收器接收并形成接收信號(hào)。再由時(shí)間計(jì)數(shù)器對發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間進(jìn)行作差和計(jì)數(shù)，經(jīng)過微電腦對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，展現(xiàn)或者保存、輸出距離和角度信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，最后由相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，獲得建筑物表面的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，從而進(jìn)行量算或者生成三維模型。

激光發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，其某一信號(hào)在經(jīng)過反射后，會(huì)原路返回。通過掃描距離S，激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向角度觀測值θ，由此計(jì)算出掃描點(diǎn)P的空間坐標(biāo)P（XP，YP，ZP）[6]。

三維激光掃描一般使用內(nèi)部坐標(biāo)系，X軸和Y軸在同一平面內(nèi)且相互垂直構(gòu)成橫向掃描面，且Z軸與該面垂直[7]，如圖1所示。

(3) 處治方案需要因癥施策、綜合處治：凹巖腔嵌補(bǔ)、裂縫灌縫等結(jié)構(gòu)修復(fù)為根本，仰孔排水、滑坡體外截排水等排水、控水為關(guān)鍵，清渣、削坡等減載為輔助，橋梁基礎(chǔ)加固為保障。

圖1 三維坐標(biāo)計(jì)算原理

掃描點(diǎn)P的計(jì)算方法如下

本項(xiàng)目所使用的測量儀器是天寶TX8三維激光掃描儀，其視場角為360°×317°，掃描速率為100萬/s。可以在3 min內(nèi)完成1次典型的測量任務(wù)。測量范圍是1.6～340 m，測量精度是5 mm/100 m，且在整個(gè)120 m的范圍內(nèi)都能保證其高測量精度[8]。簡單易用的硬件設(shè)施結(jié)合Trimble RealWorks軟件，同時(shí)保證了外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間效率及質(zhì)量。

3 融合傾斜影像和激光點(diǎn)云的建筑物三維建模

3.1 數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目測區(qū)位于江蘇省宿遷市宿城區(qū)宿遷學(xué)院。此次實(shí)驗(yàn)將測區(qū)分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傾斜攝影測量使用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)進(jìn)行，激光點(diǎn)云獲取使用天寶TX8三維激光掃描儀。選取C區(qū)域中的物理實(shí)驗(yàn)樓作為實(shí)驗(yàn)對象。物理實(shí)驗(yàn)樓外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紋理類型豐富，并且周圍植被茂密，具有一定的建模難度，為檢驗(yàn)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，因此將其作為試驗(yàn)對象。針對物理實(shí)驗(yàn)樓的特點(diǎn)，制定出可行的飛行方案和掃描方案。

為了得到基于這2種技術(shù)所融合的高質(zhì)量實(shí)景三維模型，在數(shù)據(jù)采集的過程中，無人機(jī)傾斜攝影測量和三維激光掃描應(yīng)該在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，以此保證二者獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有最相似的光照效果。

此次飛行依據(jù)內(nèi)業(yè)和外業(yè)的相關(guān)規(guī)范，像控點(diǎn)的坐標(biāo)系使用2 000坐標(biāo)系，高斯三度帶，中央子午線經(jīng)度為118°30′，飛機(jī)進(jìn)行航攝時(shí)自動(dòng)采集POS數(shù)據(jù)[4]。

飛行方案：使用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量，像控點(diǎn)設(shè)置6個(gè)，在測區(qū)內(nèi)均勻分布，像控點(diǎn)采用噴漆方式，如圖2所示。飛機(jī)航攝的高度設(shè)置為80 m，航向重疊度設(shè)置成70%，旁向重疊度設(shè)置成75%，相機(jī)角度設(shè)置成45°，一共采集到照片455張。

圖2 像控點(diǎn)選點(diǎn)

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取

掃描方案：使用地面三維激光掃描儀對物理實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行室外掃描，采用靶球拼接的方式，共架設(shè)6站，每一測站掃描時(shí)間設(shè)置為3 min，同時(shí)需要布設(shè)3個(gè)黑白標(biāo)志，采用RTK獲取其坐標(biāo)，從而進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。靶球擺放如圖4所示。

圖4 靶球擺放示意

三維激光掃描數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

圖5 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集完畢后，需要對2種點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多視影像聯(lián)合平差和密集匹配是傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)[9]。在平差的過程中，將結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素，采取金字塔匹配策略由粗到精進(jìn)行匹配，分別在每一級(jí)別上自動(dòng)提取同名點(diǎn)，并進(jìn)行光束網(wǎng)整體平差。

傾斜影像冗余較多，如何快速準(zhǔn)確地獲取大量同名點(diǎn)很關(guān)鍵。與傳統(tǒng)影像匹配的方法不同，計(jì)算機(jī)視覺的發(fā)展使多視影像密集匹配算法成為了主要算法之一，大大提高了在匹配之后所得的數(shù)字表面模型的精度和分辨率。本實(shí)驗(yàn)使用Context Capture軟件完成數(shù)據(jù)的處理。主要過程是，新建項(xiàng)目并導(dǎo)入原始影像、POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)坐標(biāo)。進(jìn)行一些必要的參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行自動(dòng)空中三角測量。量測全部的控制點(diǎn)后，重新進(jìn)行空三并建立模型。

三維激光掃描過程中，一些因素會(huì)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成影響，降低其精度，例如人為、周圍環(huán)境、儀器在采集過程中與地物之間的移動(dòng)造成的噪聲等。因此，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，減少數(shù)據(jù)量，具體操作過程如下：①選擇感興趣區(qū)；②將感興趣區(qū)的數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；③根據(jù)需要，重復(fù)①、②的操作，進(jìn)一步降低噪聲、減少數(shù)據(jù)的冗余；④將最后生成的點(diǎn)云導(dǎo)出。

3.3 融合建模

首先將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下，其次使用相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，然后使用點(diǎn)云編輯篩選出高質(zhì)量的點(diǎn)云模型進(jìn)行融合，最后進(jìn)行整體建模。此外，需要提前將2種數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為*.las格式，這樣便于將二者進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合。

由于Context Capture軟件能對傾斜攝影測量所采集的點(diǎn)云和激光點(diǎn)云進(jìn)行融合且可生成實(shí)景三維模型，因此當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)及絕對定向后，二者的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，則可以在此對2種點(diǎn)云進(jìn)行融合。在融合后的點(diǎn)云基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)，然后對其進(jìn)行平滑和簡化，最后基于傾斜攝影影像自動(dòng)映射紋理，即可生成高精度的三維模型[10]。成果如圖6所示。

圖6 融合后的三維實(shí)景模型

4 結(jié)束語

本文基于傾斜攝影測量和三維激光掃描的理論基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，提出了一種新的生成三維模型的方法，相對于使用單一數(shù)據(jù)源生產(chǎn)的三維實(shí)景模型，融合后所生成的模型，較少會(huì)存在由于紋理信息缺失或者存在掃描盲區(qū)而導(dǎo)致建模效果欠佳這種情況；將多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，對融合后點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、拼接等操作后，生產(chǎn)的三維模型可提高模型整體質(zhì)量，減少或避免模型空洞和紋理變形現(xiàn)象，更好地滿足用戶對項(xiàng)目的需求[11]。

基于宿遷學(xué)院校園將來可能會(huì)整體搬遷的實(shí)際情況，對校園建筑物進(jìn)行實(shí)景三維建模，可最大程度還原校園建筑景觀，保留老校園的風(fēng)貌。這對于創(chuàng)辦20年來所有為宿遷學(xué)院發(fā)展貢獻(xiàn)過力量的教師和在這里度過大學(xué)時(shí)光的學(xué)生，都具有重要的紀(jì)念意義。同時(shí)對于新校園的建設(shè)，也具有一定的參考價(jià)值。