無人機(jī)影像點(diǎn)云與地面激光點(diǎn)云配準(zhǔn)的三維建模方法

摘 要：地面激光掃描儀（Terrestrial Laser Scanner，TLS）能夠快速地獲取高大建筑物側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但較難獲取其頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。無人機(jī)（unmanned aerial vehicles，UAV）通過搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，能在短時(shí)間內(nèi)獲取高大建筑物的頂部影像，并基于攝影測(cè)量原理生成建筑物頂部的三維點(diǎn)云。文中針對(duì)高大建筑物的三維建模，首先，通過UAV影像構(gòu)建三維點(diǎn)云信息，其次，將UVA影像點(diǎn)云與TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后構(gòu)建其三維模型。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云;無人機(jī)影像;地面激光掃描儀;三維建模

一、 引言

三維場(chǎng)景重建是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，傳統(tǒng)的三維建模方式已經(jīng)無法滿足人們對(duì)模型高精度的要求。很多城市已基本完成大區(qū)域的數(shù)字城市建設(shè)，小區(qū)域場(chǎng)景更新已經(jīng)成為重要問題。三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、非接觸、精度高、直接獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。

無人機(jī)影像可以獲取建筑物頂部和地面信息，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)獲取的建筑物立面信息，進(jìn)行建筑物模型構(gòu)建，可以完成三維場(chǎng)景的快速更新。

二、 數(shù)據(jù)采集與處理

（一）三維激光點(diǎn)云的采集與處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢后，輸入各站點(diǎn)的控制點(diǎn)坐標(biāo)值，根據(jù)同一地物的3站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)該重疊的原理，首先對(duì)任意3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作直到相互重合為止，然后其他站點(diǎn)同樣通過旋轉(zhuǎn)的方式與前3站中的任一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)重合，如此完成全部站點(diǎn)的點(diǎn)云粗配準(zhǔn)工作。利用著名的迭代最鄰近（Iterative Closest Point，ICP）算法在站點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)云中搜尋最鄰近的同名點(diǎn)，根據(jù)最鄰近點(diǎn)解求剛體變換的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，這里因?yàn)檎军c(diǎn)坐標(biāo)位置已知，只需要設(shè)置求取各站點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)即可，通過最鄰近點(diǎn)對(duì)的不斷搜索和變換參數(shù)的迭代計(jì)算完成點(diǎn)云的精配準(zhǔn)過程，點(diǎn)云精配準(zhǔn)的中誤差控制在2cm以內(nèi)。生成全部點(diǎn)云的高程直方圖，通過確定直方圖中的高位、低位點(diǎn)云的分割閾值來剔除點(diǎn)云的高位、低位噪聲，通過搜索點(diǎn)云周圍點(diǎn)數(shù)少于3個(gè)點(diǎn)的要求移除孤立點(diǎn)云。

（二）激光點(diǎn)云與攝影點(diǎn)云的融合

地面三維激光點(diǎn)云是通過地面激光掃描儀直接量測(cè)得到，而攝影測(cè)量點(diǎn)云通過二維圖像序列估計(jì)三維結(jié)構(gòu)獲得，因此，激光點(diǎn)云的精度要明顯優(yōu)于攝影測(cè)量點(diǎn)云的精度。對(duì)于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)云，先用點(diǎn)云噪聲去除方法刪除孤立、高位和低位噪聲，再采用漸進(jìn)式三角網(wǎng)加密算法，通過設(shè)置最大建筑物尺寸、迭代角度和迭代距離參數(shù)過濾掉地面點(diǎn)類而保留其非地面點(diǎn)類（含建筑物、樹木、路燈等），根據(jù)傾斜攝影點(diǎn)云中的非地面點(diǎn)云（大部分為建筑物）與激光點(diǎn)云的非地面點(diǎn)云的重合部分，以地面激光點(diǎn)云為基準(zhǔn)，通過ICP配準(zhǔn)算法尋找并匹配非地面點(diǎn)云中的同名特征點(diǎn)，最終將傾斜攝影點(diǎn)云精確匹配到地面激光點(diǎn)云中，二者的匹配精度為9cm，形成了研究區(qū)域地形地物的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三、 三維場(chǎng)景重建關(guān)鍵技術(shù)

（一）無人機(jī)影像幾何糾正

由于無人機(jī)影像的相幅較小，在進(jìn)行影像糾正前首先要進(jìn)行影像拼接，影像拼接使用Photoshop和ENVI結(jié)合的方法，無人機(jī)影像幾何糾正是將原始的圖像數(shù)據(jù)投影到平面上，把地圖投影系統(tǒng)賦予原始圖像，使其符合糾正要求形成新的影像。

（二）建筑物模型重建

建筑物模型重建包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征線提取、模型構(gòu)建、紋理映射等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、噪聲濾除、數(shù)據(jù)重采樣、數(shù)據(jù)分割四個(gè)方面;模型構(gòu)建、紋理映射在Revit軟件中進(jìn)行。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將多測(cè)站掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，有基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和基于測(cè)站的拼接。使用較多的是基于同名點(diǎn)的拼接方法，同名點(diǎn)可以是特制的標(biāo)靶或具有明顯特征的建筑物腳點(diǎn)和地物點(diǎn)。拼接過程要多于4個(gè)同名點(diǎn)，以某一站為基準(zhǔn)站，根據(jù)同名點(diǎn)求取其他測(cè)站相對(duì)基準(zhǔn)站的3個(gè)旋轉(zhuǎn)、3個(gè)平移參數(shù)。

四、 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與三維建模

（一）基于ICP算法的點(diǎn)云配準(zhǔn)

設(shè)UAV點(diǎn)云為目標(biāo)點(diǎn)云，記：集合P={pi，i=1，2，3，n}，TLS點(diǎn)云為待配準(zhǔn)點(diǎn)云，記：集合Q={qi，i=1，2，3，m}。ICP基本原理是對(duì)Q中元素進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等迭代操作，每迭代一次結(jié)束后計(jì)算Q與P的誤差或者迭代次數(shù)是否達(dá)到給定的值，如果達(dá)到則認(rèn)為P和Q配準(zhǔn)成功。進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí)首先任意給定3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和3×1的平移矩陣T，誤差函數(shù)計(jì)算表達(dá)式，迭代次數(shù)等參數(shù)，由于是對(duì)同一物體進(jìn)行采集，因此不存在縮放，不需要給定縮放矩陣。

（二）三維建模

1. 配準(zhǔn)數(shù)據(jù)三維模型

將UAV影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)與TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)后，構(gòu)建其三維模型，建筑物模型的側(cè)面信息輪廓分明，建筑物頂部不存在空洞，模型頂部信息完整，配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)同時(shí)具備了建筑物屋頂信息和立面信息，三維模型更加完整。

2. 地面模型重建

在去噪后的地面三維激光點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，采用漸進(jìn)式三角網(wǎng)加密算法濾除非地面點(diǎn)云，將保留的地面點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中，在點(diǎn)云編輯階段，通過“著色點(diǎn)”工具增強(qiáng)點(diǎn)云的可視化效果，通過“體外孤點(diǎn)”和“非連接項(xiàng)”工具選擇并刪除孤立噪聲點(diǎn)云，在“減少噪聲”工具中選擇“積極棱柱形”進(jìn)一步減少遠(yuǎn)離曲面模型的噪聲點(diǎn)云，根據(jù)“曲率采樣”工具保留高曲率區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)來保留地形的細(xì)節(jié)，設(shè)置90%的數(shù)據(jù)量來進(jìn)行曲率采樣。

五、 結(jié)語

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)影像集成構(gòu)建的三維場(chǎng)景可以提高真實(shí)感、豐富模型的幾何細(xì)節(jié)及紋理細(xì)節(jié)、提高模型的幾何精度。但激光點(diǎn)云與影像配準(zhǔn)自動(dòng)程度比較低，三維建筑物模型與二維影像配準(zhǔn)技術(shù)仍不成熟，難以達(dá)到自動(dòng)配準(zhǔn)，無人機(jī)影像中建筑物邊界自動(dòng)提取和建筑物立面的配準(zhǔn)將是日后研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

紀(jì)靜靜，北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司。