高精度城市三維建模-傾斜攝影技術與激光掃描強強聯合

基于提高傾斜攝影技術 在城市三維建模效果目的，采用了地面激光掃描技術在傾斜攝影建?；A上進行匹配融合的方法，通過對某個小區建筑物進行無人機傾斜攝影和地面擺站激光掃描相結合的數據處理實驗，得出了通過兩者技術融合在城市建筑三維模型建設中紋理效果有效提升的可行性結論，并在實驗結論中提出了改進意見。

傾斜攝影測量技術是利用傾斜攝影裝置同時快速獲取傾斜三維影像和正射影像，再利用計算機自動圖形處理技術進行自動空三處理，經過影像匹配和表面紋理映射等技術手段，最大限度地真實還原地表的真實景物。傾斜攝影技術可以實現多角度影像采集，保證高效率、增加精確度、準確地理定位，實現三維實景重建，已成為國內外航測的主要技術途徑。但是基于傾斜攝影技術獲取數據資料也有一些尚未克服的缺點，如: 傾斜影像自動匹配難度大、為保證高精度需大量布設外業像控點、建筑底部由于遮擋等因素精度較差等。

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術，它可以在多種惡劣觀測條件下進行外業掃描，大面積快速獲取目標物體的表面三維坐標數據，形成海量三維激光點云，再利用這些高密度的點云生成三角網，建立目標物體的數字表面模型，同時可以通過激光掃描儀內置或外接的同軸數碼相機拍攝的影像將點云賦上真彩色，則建立的數字表面模型就可以實景呈現掃描物體的真實場景。三維激光掃描由于其使用簡單、掃描快速，操作安全且精度高等技術優勢，可以極大地提高外業數據采集效率，降低工作人員的勞動強度，提高生產效率，已在諸多領域得到應用。然而該技術在應用上也仍然存在著一些不足之處，如高層建筑物與構筑物頂部的掃描盲區、相機拍攝視角不理想、后處理軟件處理效率偏低等。

針對三維激光掃描和傾斜攝影測量技術各自的優缺點，本文將兩種技術手段結合起來，互相彌補不足，研究傾斜攝影測量數據和三維激光點云數據的融合方法，并將其用于城市高層建筑的三維建模中。

融合建模流程設計

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，形成激光點云數據。

傾斜攝影測量以無人機平臺搭載數碼相機，在空中多角度對地表對象進行拍攝獲取影像數據，然后基于多視影像的地表同名點坐標進行密集匹配，快速獲取地表三維數據。其數據格式一般為JPG 等圖片格式，通過相應的軟件平臺進行空三加密和影像密集匹配算法，自動匹配出所有影像的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云。

由于密集匹配過程中產生了大量的點云數據，這就為三維激光點云與傾斜攝影密集點云的融合提供了可操作性。地面三維激光點云的高精度可以彌補傾斜攝影近地面區域精度偏低的缺陷，而空中無人機傾斜攝影則彌補了三維激光頂部掃描盲區和影像獲取視角不夠廣的缺陷，將兩種方法的點云進行融合，再進行三維建模，就可以實現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、底部效應等問題。同時三維激光掃描可以獲取地面特征點的三維坐標，可以免除傾斜攝影測量外業布設像控點的工作，大大提高作業效率，降低勞動強度，實現“辦公室測繪”。

三維激光掃描與傾斜攝影技術的結合，實現了空中無人機航空影像與地面三維激光點云的“空地聯合”，全方位無死角獲取地表物體的完整表面坐標信息，實現高精度的三維建模，主要的作業流程如圖1 所示。

圖1 基于傾斜攝影及激光掃描技術融合的實景三維重建作業流程

融合建模工程實施

1、地面激光掃描及數據處理

地面三維激光掃描進行控制測量獲取真實地理坐標一般有兩種方式: 一是將部分測站設置在已知控制點上，對中整平然后再進行掃描; 二是在掃描的過程中通過精細掃描標靶作為點云內業處理的控制點。而獲取標靶坐標的一般也是兩種方法: 將標靶架設在已知控制點上; 在已知點上架設全站儀，用全站儀采集標靶坐標。而對于可外接GNSS 設備的三維激光掃描儀，則可通過外接雙頻GNSS 接收機直接獲取測站點坐標。

在外業掃描上，對于無慣性導航系統的三維激光掃描儀在外業進行作業時，需保證兩個測站之間有比較明顯的共同面，以保證內業處理時，不同測站的點云可以通過公共面進行拼接。本項目采用的Ｒiegl －VZ400i 是一款內置慣性導航系統的三維激光掃描儀，在搬站的過程中可以記錄儀器的姿態位置，并在外業掃描的過程中自動進行拼接，所以只需保證掃描儀各站數據能完整采集到目標地物點即可，這在一定程度上可以減少測站的數量、提高外業效率。然后結合項目需求，設置相應的數據采樣頻率、點云密度，即可一鍵開始掃描。

本項目位于福建省福州市高新區海西高新科技園區內的高新苑小區，測區大小約 3 萬 m2 ，7 棟高層居民樓，最高建筑高度達100 m。外業共掃描28 站，總計掃描用時2 個小時，外業掃描完成即完成點云配準拼接。掃描測站布置圖如圖2 所示。

圖 2 掃描測站位置略圖

本項目使用的脈沖式掃描儀Ｒiegl－VZ400i 具有多重回波技術，可以“穿透植被”進行測量，測程達到800 m，激光發射頻率 120 萬點/ 秒，測量點位精度高達5 mm@ 100 m，可以實現高速度、高精度的外業數據采集，同時內置慣性導航系統，可以實現外業一邊掃描一邊自動拼接，對于外業掃描獲取的數據，若外業有部分測站自動拼接失敗，則內業需要對拼接失敗的測站手動進行配準拼接，拼接完成之后需要對點云進行濾波、抽稀處理，通過這一系列處理即得到了最終的點云成果。

2、無人機傾斜攝影實景三維建模

地面激光掃描數據可以高精度、高精細重建測區底部數字表面模型( DSM) ，而測區高處特別是建筑頂部則是其掃描盲區，且地面激光掃面數據相對紋理失真較為嚴重。無人機傾斜攝影為從空中多角度對地俯拍( 如圖3 所示) ，其獲取的多視影像紋理具有高真實感、高分辨率等特性，可以有效彌補地面激光掃描技術的上述不足之處。為實現二者的最佳融合，無人機傾斜攝影實景三維建模各個階段需嚴格按預設參數及標準實施，包括航線設計、像控布設、多視影像空三加密及密集匹配等方面。

(1) 航線設計要求

①根據測區建筑主體朝向及日照方向布設航線，航線布設為“井”字型航線，確保航線方向盡量保持與測區橫線及縱線方向一致; 航線布設需考慮地形環境因素的影響，保證航線及延長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于 2 cm，航線敷設航向重疊度不低于 80%，旁向重疊度不低于 70%。

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

圖3 無人機傾斜攝影多視影像圖

(2) 像控點布設要求：

①測區范圍內邊角點要求布設像控點，其余區域要求控制點均勻分布，點與點之間的距離在250 m ～300 m之間。

②充分利用現場地形、地物條件進行布點，將控制點布設在清晰的明顯地物，交角良好的線狀地物的交點、明顯地物的折角頂點，如斑馬線直角點、道路拐點及顏色紋理變化分界點處等。

③像控點要求盡量布設在地表，特殊情況下，也可將點布設在低矮構筑物的拐角處。

像片控制點布設如圖4所示。

圖4 區域像控點布設圖

本項目中，由于結合了三維激光掃描技術，可以基于激光點云內業布設像控點，免除了外業像控點的布設，基于激光點云進行像控點布設的方法如圖5、圖6 所示。

圖 5 像控點點云坐標采集

圖 6 像控點影像采集

(3) 密集匹配

聯合傾斜攝影影像數據及外業像控測量數據進行多視影像空三加密和密集匹配?？杖用芾肅ontextCapture 平臺加載攝區影像，按照布控要求，添加一定數量的控制點，然后通過光束法區域網整體平差，一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，將整體區域最佳地加入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的物方位置關系。通過高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確地表達地物的細節。

3、三維激光點云數據和密集點云數據的融合

通過密集匹配從航拍影像中抽取了大量的密集點云，這些點云要與三維激光掃描儀掃描獲取的激光點云進行數據融合，如圖7、圖8 所示。數據融合前要先保證兩種點云數據格式的一致性，一般轉換為點云通用格式* ．las。由于三維激光點云的精度遠高于傾斜攝影測量，因此將兩種點云數據進行配準融合的過程中，以三維激光點云為基準，使用迭代最鄰近點配準法，也即ICP 算法和人工配準相結合的方法，將傾斜攝影密集點云與三維激光點云進行配準，從而得到高精度的融合點云模型。

圖 7 點云融合效果圖

4、模型建立及結果分析

利用數據融合得到的融合點云模型，并由空三建立的影像之間的三角關系構成不規則三角網( TIN) ， 再由TIN 構成白模，軟件從大量傾斜影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維場景。

建立的白模及進行紋理映射后的真三維實景模型如圖8、圖9 所示。

圖 8 TIN 白模圖

圖 9 紋理映射后真三維實景圖

為了評價融合三維激光點云后建立的三維模型與單純無人機傾斜攝影測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。對比兩套模型的表面可以直觀地看出，融合了激光點云之后建立的三維模型，墻面更加平整，底部效應得到改善、拉花現象明顯減弱，模型效果得到極大優化。

圖 10 無人機傾斜攝影三維建模成果

圖 11 融合激光點云后三維建模成果

結論和展望

本文將傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術結合起來應用于城市建筑的三維建模。實驗表明，三維激光掃描點云數據的融合，有效改善了傾斜攝影測量三維模型的建模效果，建模精度更加均勻可靠，同時還免除了傾斜攝影測量中外業像控點的布設，提高了外業效率，降低外業工作人員勞動強度。然而，兩者的結合也還有一些問題有待解決，如在改進后的模型中模型效果和精度得到改善，但是卻出現了個別位置紋理失真的問題，地面激光掃描儀仍需要搬站，相比車載激光掃描儀工作量仍然偏大。車載移動測量與傾斜攝影測量技術的結合也是接下來需要研究的一個方向。

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