多源數(shù)據(jù)融合構建精細三維模型的關鍵技術

鄒娟茹，孫興華

（1.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省公路勘察設計研究院，陜西 西安 710068）

近年來，我國近地空間對地觀測手段日趨成熟，特別是在測繪領域機載LiDAR 點云掃描與傾斜攝影測量技術在三維模型的構建中，發(fā)揮著技術革新的作用。然而，基于多學科融合的空間對地觀測技術，當某單一測量技術手段發(fā)展到一定階段，可能會遇到不同程度的技術瓶頸，例如，機載LiDAR 雖然能夠全天候對復雜地形進行三維點云掃描，且激光脈沖可穿透植被到達地面，形成多波反射，點云數(shù)據(jù)具有強度信息，但其并不具備光譜屬性，地表特征不顯著，很難在地質等多領域進行專業(yè)性的判讀。傾斜攝影測量雖然具有豐富的光譜信息，但其高程精度較差，且在植被茂密的地區(qū)，無法采集完整的地形數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)階段憑單一測量手段不能在復制地形中完好精細的構建大比例尺三維模型。有許多學者對機載LiDAR 與正射影像進行了融合處理等相關研究，并獲取了較為豐碩的成果。尚大帥[8]等運用機載LiDAR 數(shù)據(jù)與正射影像進行融合測試，成功地將正射光譜賦予了點云數(shù)據(jù)，彌補了LiDAR 點云缺失光譜信息的缺點；Rottensteiner[9]等研究了從結合航空影像的LiDAR 數(shù)據(jù)中自動生成建筑物模型的方法；Secord[10]探討了利用LiDAR 數(shù)據(jù)得到的DEM 和其對應的影像資料進行特征提取的方法；Thuy[11]等研究了從LiDAR 和影像數(shù)據(jù)中提取建筑物的多尺度理論；Yang[12]等提出了一種LiDAR 融合航空光學影像的地物分類方法。然而從航測等項目講，上述模型精細度尚不足，特別在模型側面紋理結構信息的提取上尤為顯著。

因此，本文借助以往機載LiDAR 與正射影像融合的經驗，繼續(xù)加載傾斜攝影數(shù)據(jù)，進而運用多源數(shù)據(jù)融合處理，構件精細三維實景模型，這種利用機載LiDAR 點云與傾斜影像的融合，以往學者探討不多，可借鑒的關鍵技術較少。文中通過某地房地一體項目，著重探討了機載LiDAR 點云、正射影像與傾斜攝影等多源數(shù)據(jù)融合的關鍵技術，并進行精度評定，獲得理想的效果。

1 融合技術流程

多源數(shù)據(jù)的融合需要合理處理平臺， 如TERRASCAN、CONTEXTCAPTURE 等軟件，在融合過程中，充分利用多種數(shù)據(jù)優(yōu)勢。如圖1 所示，通過布設統(tǒng)一坐標系，供后期數(shù)據(jù)融合使用，點云數(shù)據(jù)用來生產地表DEM、DSM，正射影像用來制作建筑物頂面，而建筑物與構筑物側面紋理信息則是由傾斜攝影測量產生。因此，首先將機載LiDAR 點云與正射影像融合為機載LiDAR 點云影像，其次，將機載LiDAR點云影像與傾斜攝影數(shù)據(jù)融合，使地物側面紋理得以完善。

圖1 多源數(shù)據(jù)融合技術流程

2 融合處理

融合處理是本文探討多源數(shù)據(jù)融合構建精細三維模型的重點，主要涉及三部分:多源數(shù)據(jù)間的匹配與套合；機載LiDAR 點云與正射影像的融合；影像點云與傾斜數(shù)據(jù)間的融合。

2.1 多源數(shù)據(jù)的匹配與套合

目前多源數(shù)據(jù)的匹配與套合有2 種方案，一是利用統(tǒng)一坐標系，多種數(shù)據(jù)使用同一套坐標系，地面像控點可統(tǒng)一布設，也可分別布設，只需確保平面與高程坐標系相同即可；另一種方案則是在內業(yè)數(shù)據(jù)處理時，人工手動添加控制點，以固定機載LiDAR 點云位置不變，使正射與傾斜影像空三后的數(shù)據(jù)通過手動控制點套合在LiDAR 點云上，此時則需要多種數(shù)據(jù)使用同一套控制點，但并不要求航測之前布設像控點。使用哪種方案可依據(jù)具體情況而定，主要區(qū)別是前者不需要后期人工內業(yè)干涉，但在外業(yè)要求做控制測量；后者則不需要控制測量，而是需要內業(yè)人工交互添加控制點以完成套合。

2.2 LiDAR 點云與正射融合

機載LiDAR 點云與正射影像的融合，其實質是依據(jù)兩者共有位置屬性，將富有光譜信息的正射影像色彩值賦予對應激光點。在航空攝影測量中，共線方程式[6-9]的表達方式如公式（1）、（2）:

由公式可知，實現(xiàn)基于三維點云坐標獲取二維影像坐標相對簡單，將相應的RGB 信息賦予每一個相應的LiDAR 點云，只需要每個LiDAR 點的三維坐標（X,Y,Z），高精度POS 數(shù)據(jù)以及相機參數(shù)，利用該公式即可獲取點云數(shù)據(jù)相對應的像素在平面坐標系下的（x,y），然后將（x,y）處的（RGB）賦值給相對應的點云數(shù)據(jù)。如若需要得到高精度三維實景模型，則另需注意兩方面:①如果點云密度足夠高，該數(shù)據(jù)即可直接生成高精度的真正射攝影像；②無論是單一影像還是單一的點云地物提取與分類，其難度均較大，如果將影像灰度、紋理信息與點云的高程信息融合，能大幅提高地物的分類提取精度。該環(huán)節(jié)最后生成影像點云，用以后期與傾斜數(shù)據(jù)的融合。

2.3 影像點云與傾斜影像融合

通過機載LiDAR 點云與正射影像的融合，可實現(xiàn)對地形與地物頂面結構紋理的提取，而其側面紋理，則需將該步生成的影像點云與傾斜數(shù)據(jù)進行融合。通過在Context Capture 平臺，可將影像點云與空三處理后的傾斜點云同時納入到一個絕對坐標系下，在點云基礎上構建三角網，同時對三角網進行平滑和簡化，最后基于傾斜攝影自動映射側面紋理，即可生成高精度的三維模型[5-7]。在融合過程中，主要思想是空三環(huán)節(jié)的處理，若在數(shù)據(jù)配準套合中采用了統(tǒng)一絕對坐標系與控制測量，則空三設置使用利用精密控制成果處理即可，確保空三通過，無空三分層，套合準確就可進行最后的三維重建；若前期采用人工手動添加控制點以套合兩者數(shù)據(jù)，則在空三環(huán)節(jié)中應先依據(jù)手動控制點進行概略解算，后續(xù)仍需多次空三解算，以使概略空三成果與控制點較好套合，確保兩者影像點云的數(shù)據(jù)能夠完美的融合。

傾斜攝影測量雖然在一定程度上實現(xiàn)了地物側面紋理信息得提取，但在建筑物突出的部位，其遮擋部分均有拉花現(xiàn)象，若對該部分有較高的質量要求，可對建筑物遮擋位置進行立面局部補拍，或采用地基激光雷達掃描系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)采集，再將補測數(shù)據(jù)納入至融合處理當中即可。

3 實例分析與精度評定

3.1 案例分析

經過反復測試，我們總結了上述多源數(shù)據(jù)融合方案，并將其應用于某地房地一體項目。從歷次融合中發(fā)現(xiàn)，不同數(shù)據(jù)間的配準，使用統(tǒng)一坐標系，采用控制測量的精度要好于后期人工添加控制點的方案，且點位平面中誤差較差相對高程中誤差小許多。為了更好地表明2 種方案在大比例尺建模、測圖項目的可靠性，我們綜合運用上述2 種方案進行融合，即前期布設少量控制點，后期內業(yè)手動添加控制點的結合方案。

如圖2 所示，經過預處理后的機載LiDAR 點云數(shù)據(jù)，該次測試高度50 m，確保每m2內有足夠的點，以及正射影像有足夠的分辨率。圖中點云數(shù)量是混合形式顯示，包括其高程與強度信息。圖3 給出了機載LiDAR 點云與正射影像融合后的影像點云數(shù)據(jù)，該部分工作我們借助Terrascan 平臺，依據(jù)LiDAR 數(shù)據(jù)離散點在平面坐標系中的（x,y）位置屬性，將正射影像中對應坐標的像素灰度值賦予點云，使其富有光譜圖像紋理信息。由于該過程不存在一個像素內有多個LiDAR 點的情況，所以這種融合方法不存在重疊與內插問題。后的模型對比效果（上圖融合前，下圖融合后），顯然融合后模型結構與紋理的豐富度均好于融合前。

圖2 混合顯示的原始點云

圖3 機載LiDAR 點云與正射影像點云融合

圖4 影像點云融合傾斜攝影空三數(shù)據(jù)

圖5 多源數(shù)據(jù)融合前后效果對比

3.2 精度評定

為了對比融合前后的模型精度，我們檢測了18 個地物特征點，定量分析了模型整體平面中誤差與高程中誤差。模型采集點對地表實測坐標差異見表1，按公式（3）～（6）計算，融合前平面中誤差0.116 m，高程中誤差0.165 m；融合后平面中午差0.084 m，高程中誤差0.093 m，結果顯示，雖然兩者均滿足1∶500地籍測量要求，即平面中誤差小于圖上0.6 mm，高程中誤差需小于1/3 等高距（0.333 m），但經多源數(shù)據(jù)融合后的三維模型精度明顯優(yōu)于融合前，特別是高程精度，較融合前有了顯著提升。

表1 地物檢查點平面和高程誤差統(tǒng)計表/cm

4 結 語

通過對比闡述多種航測手段各自存在的弊端，重點探討了基于機載LiDAR 點云、正射影像、傾斜攝影等多源數(shù)據(jù)融合處理生成精細三維模型的關鍵技術，具體需從多源數(shù)據(jù)間的配準、機載LiDAR 點云與正射影像的融合、影像點云與傾斜數(shù)據(jù)的融合等三方面進行方案的詳細設計。借助某航測項目，從三維模型紋理結構與模型精度、定性與定量兩方面進行了融合前后的對比，結果表明，融合后的精度明顯優(yōu)于融合前。因此，本文所提到的融合技術在實踐中獲得了較好的效果，為同類項目的設計與實施提供了參考。