鄭金瑋,孔 琪,董 聰

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司北京巖土工程技術(shù)分公司,北京100010; 2.湖州市技師學(xué)院,浙江 湖州 313200; 3.山東深科空間規(guī)劃勘查設(shè)計有限公司,濟南250000)

0 引言

實景三維模型是我國建設(shè)領(lǐng)域中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,能夠直觀展現(xiàn)出建筑的細(xì)節(jié)及內(nèi)容,為工程項目提供可視化支撐。但在對建筑展開測繪時,無論是使用三維激光掃描技術(shù)還是使用傾斜攝影測量技術(shù),都有可能存在細(xì)節(jié)程度低、紋理少、視角存在盲區(qū)等問題,影響實景三維模型的還原程度,進(jìn)而影響工程項目的推進(jìn),因此需探究三維激光掃描技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)的融合,對實景三維模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,以滿足實際使用的需求。

在諸多掃描技術(shù)中,三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù),具有無需接觸的特點,可以在天氣條件不理想狀態(tài)下展開掃描作業(yè),需在不同平臺上搭載激光掃描儀,對目標(biāo)展開面狀掃描,通過掃描方式獲得目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息。三維激光掃描技術(shù)的信息采集速度較快,能夠在短時間內(nèi)獲取大量的激光點云數(shù)據(jù),根據(jù)點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng),進(jìn)而生成真實地貌的數(shù)字表面模型。激光掃描儀搭載了一個相機,可對地物進(jìn)行拍攝,利用影像對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)色,從而使真實場景可被有效還原。對比其他技術(shù),激光掃描技術(shù)具有安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強、人員操作簡單、數(shù)據(jù)信息獲取效率高等優(yōu)勢,能夠有效提升工作效率,對生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化,獲取到的激光點云數(shù)據(jù)具備抗干擾能力強、精準(zhǔn)度高、密度較高等優(yōu)勢,無論是在文物修復(fù)方面還是在數(shù)字礦山或電力巡檢等領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是三維激光掃描技術(shù)也存在一些不足(如視角盲區(qū)中掃描數(shù)據(jù)完整性不足,相機拍攝過程中視角不夠完美,導(dǎo)致影像中的紋理存在缺陷等),需進(jìn)一步展開優(yōu)化。

傾斜攝影測量技術(shù)是測繪工作中的常用技術(shù)之一,通過合理利用無人機對目標(biāo)信息進(jìn)行采集。無人機上需搭載一個或多個多角度負(fù)責(zé)采集影像的相機,通過相機對目標(biāo)的紋理數(shù)據(jù)及定位信息進(jìn)行收集,進(jìn)而有效提升建模效果。對比其他技術(shù),傾斜攝影測量技術(shù)具備諸多優(yōu)勢(如成本較低、工作效率較高、視覺效果更加貼近真實、人工干涉較少等),能夠大量生產(chǎn)大場景實景三維模型。但是傾斜攝影測量技術(shù)同樣存在缺陷,如果天氣較為惡劣就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確或無人機無法作業(yè)等,受到場景、航高、數(shù)據(jù)處理算法等其他方面因素的影響,可能導(dǎo)致傾斜攝影測量技術(shù)作用受到影響。水電工程項目中地形起伏較大,弱紋理為主要的覆蓋紋理,可能導(dǎo)致傾斜影像的自動匹配難度提升,影響建模效果[2]。而在大場景當(dāng)中,建模優(yōu)化需耗費大量的經(jīng)濟成本及人力成本,無法滿足項目生產(chǎn)需求,因此對傾斜攝影測量技術(shù)生成的三維建模進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。傾斜攝影測量技術(shù)建模與三維激光掃描技術(shù)建模對比見表1。

表1 傾斜攝影測量技術(shù)建模與三維激光掃描技術(shù)建模對比

1 三維激光掃描技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)的關(guān)鍵及融合

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段需做好作業(yè)準(zhǔn)備,利用三維激光掃描技術(shù)及傾斜攝影測量技術(shù)展開測量,此過程中,三維激光掃描技術(shù)需進(jìn)行掃描站布設(shè)及點云數(shù)據(jù)收集,對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量及采集,而傾斜攝影測量技術(shù)則需通過紋理圖像采集方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量及采集。測量工作結(jié)束后,需將測量數(shù)據(jù)通過外業(yè)工作的方式進(jìn)行檢查,如果數(shù)據(jù)不合格,則重新返回點云數(shù)據(jù)收集及紋理圖像采集階段,如果數(shù)據(jù)合格則可展開下一步[3]。數(shù)據(jù)合格后,將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行備份,結(jié)束工作。

1.2 三維掃描技術(shù)與傾斜攝影測量影像融合建模

如果將三維掃描技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)相融合,能夠有效提升影像清晰度,降低測量成本與投入,進(jìn)而提升工作效率。融合的主要方式是將傾斜攝影測量技術(shù)獲取的影像與三維掃描技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)相結(jié)合,通過幾何結(jié)構(gòu)將二者融合,獲得融合建模。通過合理利用傾斜攝影測量技術(shù)展開空三解算,根據(jù)影像數(shù)據(jù)生成點云數(shù)據(jù)。對激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,將處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件平臺中。在此過程中應(yīng)保證點云數(shù)據(jù)的格式相同,通常采用las格式或e57格式。將兩份點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn),轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中,對融合后的點云數(shù)據(jù)展開空三解算,待解算完成后,根據(jù)融合后的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則的三角網(wǎng),對三角網(wǎng)進(jìn)行細(xì)致分割,生成三維白膜。一般情況下,軟件會自動獲得影像中存在的紋理,并對分辨率進(jìn)行設(shè)置及勻光勻色操作,將紋理映射至白膜上。部分軟件會在模型紋理貼圖中合理運用賦色點云紋理,達(dá)到融合效果。融合建模流程見圖2。

圖1 建筑點云數(shù)據(jù)采集流程

圖2 基于激光掃描技術(shù)與傾斜攝影融合的建模流程

2 案例分析

將某牌坊作為三維建模對象,展開三維激光掃描技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)融合的建模實驗,通過架站式三維激光掃描技術(shù)對目標(biāo)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取,合理利用傾斜攝影測量技術(shù)對目標(biāo)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。此過程中需合理利用架站式激光雷達(dá)進(jìn)行掃描,其工作原理是將激光測距儀與反射棱鏡進(jìn)行組合,構(gòu)成激光掃描儀器,并將激光掃描儀架設(shè)在地面之上,通過勻速旋轉(zhuǎn)掃描的方式發(fā)射激光,并接收返回的信號,以此判斷距離,根據(jù)解算了解車站與掃描站之間的坐標(biāo),根據(jù)現(xiàn)有坐標(biāo)對物體表面三維坐標(biāo)進(jìn)行解算,最終形成滿足需求的激光點云數(shù)據(jù)。對比其他點云數(shù)據(jù),架站式激光點云數(shù)據(jù)的精度較高,能夠有效提升傾斜攝影技術(shù)獲取影像的清晰度,二者融合可以進(jìn)一步對現(xiàn)有圖像進(jìn)行優(yōu)化,滿足使用需求。

通過傾斜攝影測量技術(shù),一共拍攝到78張影像,每張影像的尺寸都是最高分辨率,即5472×3648。對于通過三維激光掃描技術(shù)獲取的激光點云數(shù)據(jù),采用徠卡RTC 360作為掃描儀器,保證視角場水平滿足360°,掃描范圍為0.5～130 m,掃描速度最高可達(dá)200萬點/s。

2.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

需新建工程,在軟件中提前輸入采集到的影像信息及POS信息,方便后續(xù)使用。對影像路徑及完整度進(jìn)行檢查,如果沒有數(shù)據(jù)問題,則可展開下一步空三加密操作。

2.2 空三加密

空三加密需創(chuàng)建空三任務(wù),輸入空三任務(wù)的名稱,將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中。對姿態(tài)、位置、連接點密度、匹配模式等諸多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,再展開空三解算。本次解算并未解算控制點,因此只有連接點參與解算過程。解算后的影像點云成果見圖3。

圖3 傾斜攝影測量影像空三解算后得到的點云成果

將架站激光掃描儀收獲到的點云數(shù)據(jù)輸入其中,形成圖4,進(jìn)入點云配準(zhǔn)環(huán)節(jié)。需要注意的是,輸入的點云數(shù)據(jù)應(yīng)為las格式或e57格式。

圖4 架站式激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)

2.3 點云配準(zhǔn)

在點云配準(zhǔn)環(huán)節(jié),需提取部分激光點云數(shù)據(jù)特征點的坐標(biāo)信息,將其導(dǎo)入軟件中,在影像點云中展開控制點刺點,提交空三任務(wù),方便展開控制點的平差計算。在此過程當(dāng)中,合理采用控制點平差計算可對區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)配準(zhǔn),收獲圖5。點云配準(zhǔn)后進(jìn)行三維模型重建。

圖5 融合后得到的點云數(shù)據(jù)

2.4 三維模型重建

三維模型重建前要提前對融合影像進(jìn)行判斷,查看點云是否存在分層,如果點云不存在分層則可以開展三維重建。要對瓦塊大小、發(fā)布數(shù)據(jù)格式、模型坐標(biāo)系、模型原點等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,尋找模型幾何來源及圖片紋理,將二者融入三維模型中,提交重建任務(wù),對模型進(jìn)行生產(chǎn)構(gòu)建,收獲圖6,完成三維模型重建[4]。

圖6 融合激光點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的三維模型

3 結(jié)束語

在三維模型生產(chǎn)過程中,無論是采用三維激光掃描技術(shù)還是傾斜攝影測量技術(shù)都可能存在缺陷,需提升建模效果,以滿足生產(chǎn)需求。三維激光掃描技術(shù)與傾斜攝影測量技術(shù)二者具有互補性,將二者相結(jié)合可搭建出紋理細(xì)致、工作效率高、盲區(qū)小、細(xì)節(jié)進(jìn)一步提升的三維模型,能夠滿足生產(chǎn)需求,提升工作效率及建筑測繪的可靠性。