基于無人機LiDAR和傾斜攝影數據的3D產品制作

周智勇，高林營，李維平

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

隨著航空攝影技術的飛速發展，無人機傾斜攝影技術應用越來越普遍，從早期傾斜攝影為滿足三維模型快速制作，到目前的利用實景三維模型進行裸眼測圖及開展新型基礎測繪實體化研究，單純依靠傾斜攝影實景三維開展后期應用的不足也越來越明顯，如高樓密集導致的建筑物模型粘連、植被遮擋區域的地面信息缺失等，引入無人機LiDAR來進行補充成為研究的熱點[1]。

無人機LiDAR因其價格高昂，早期更多應用在公路項目、電力線路巡查等帶狀工程，及地質災害、林業調查監測等人類活動相對較少區域，應用在純測繪領域不多。隨著LiDAR成本下降及無人機安全性、穩定性提高，及電池續航能力提升，在植被茂密區域，尤其地形起伏較大，視線不通視等區域，常規測繪手段工作量巨大，無人機LiDAR測繪優勢明顯。

2 無人機LiDAR和傾斜攝影系統

由于目前無人機飛行平臺相對輕巧，一是荷載不支持同時將LiDAR設備和傾斜相機掛在飛行平臺上，二是兩種設備的航間距及飛行速度等航攝因子不完全相同，因此LiDAR數據和傾斜數據為分開獲取。

重慶地形起伏較大，為保證獲取的點云密度，及傾斜影像在測區高點和低點的分辨率及重疊度，采用具有仿地飛行功能的多旋翼無人機搭載LiDAR設備和傾斜相機進行作業。

飛行平臺選擇四旋翼無人機，空機重量 6.5 kg，起飛重量最大 8.5 kg，按無人駕駛航空器飛行管理暫行條例分類屬于小型無人機，支持PPK/RTK差分模式，適配的傾斜相機單鏡頭 2 400萬像素，5鏡頭總像素1.2億，下視焦距 25 mm，斜視焦距 35 mm，斜視相機與下視相機之間角度為45°，相機重量 1.5 kg；適配的LiDAR設備為RIGEL mini VUX-1UAN，最大測程為 250 m，設備重量 1.87 kg，如圖1所示。

圖1 無人機LiDAR和傾斜攝影測量系統

3 總體技術路線

根據測區范圍、地形情況及成圖要求，設置航攝高度、重疊度等參數，分別采用無人機搭載LiDAR設備獲取全域的點云數據、采用無人機搭載傾斜攝影相機獲取全域的傾斜攝影數據，開展外業像控點布設與測量計算，對無人機LiDAR數據進行軌跡解算、點云解算及航帶拼接與噪聲去除，利用傾斜影像和POS數據、像控點成果進行空中三角測量及實景三維建模，得到空間坐標一致的點云數據和實景三維模型。基于點云數據進行地面點分離，編輯制作數字高程模型DEM，結合空中三角測量成果得到數字正射影像DOM成果，基于實景三維模型采集地物要素，套合DOM輸出外業調繪底圖開展外業調繪，最后編輯得到數字線劃圖DLG成果[1～3]。

圖2 總體技術路線

4 測區概況與數據處理

4.1 測區概況

項目位于重慶市兩江新區五寶鎮、洛磧鎮、雙河口鎮交界處，項目范圍約 1 km2，測區地形起伏較大，溝壑縱橫，地形最高點為 292.9 m，最低點 160.5 m。

4.2 無人機LiDAR獲取與處理

(1)LiDAR點云數據獲取。根據測區已有影像、地形圖等資料，分析作業區植被、建筑物等分布情況，選擇測程 250 m的LiDAR設備及飛行平臺，確定航攝高度 160 m及旁向重疊度65%等航攝因子，并提前開展空軍民航空域申請報批。實地踏勘選擇視野開闊，地勢較為平坦區域作為起降點，為提高點云精度可以架設基站，結合地形山勢走向，選擇平行山體方向作為航線方向。針對本項目樹林較密集及地形相對復雜的情形，選擇十字航線進行作業，仿地飛行獲取的點云數據具有更好的穿透性和分布均勻性，點云密度達到 51 點/m2，遠大于《機載激光雷達數據獲取技術規范》CH/T 8024中 1∶500比例尺中16 點/m2的點云要求。

圖3 無人機LiDAR十字交叉航線

(2)像控點布設。航飛同時進行外業像片控制布設與測量，像控點目標選擇影像清晰，易于判讀，且高程變化較小的地物拐角等特征點，滿足點云高程精度檢測及傾斜攝影后期空三處理需求。

圖4 像控點分布圖

(3)原始點云解算。采集獲取合格的機載LiDAR數據后，采用IE等軟件進行IMU/GNSS聯合航跡解算，將外業采集的機載LiDAR數據與IMU/GNSS數據和CQGNSS數據進行聯合解算，利用外業控制點成果數據、實測參考面數據進行激光點云高程系統誤差的檢校和改正，通過控制聯測解算七參數，進行坐標轉換處理，獲取符合項目數學基礎要求的激光點云數據，再通過航帶拼接與噪聲去除，檢查點云厚度、重疊度、接邊精度及實測控制點檢查點云精度，所有參數滿足規范要求后提供下一環節使用[8]。

4.3 傾斜攝影數據獲取與處理

將LiDAR設備取下，換上傾斜相機，按傾斜數據要求設置分辨率為 3 cm、航向重疊度80%、旁向重疊度70%、相對航高 160 m等航攝因子，對測區再次進行仿地飛行攝影，獲取高分辨率的傾斜影像約 8 595張。利用獲取的 3 cm傾斜影像及解算的POS數據，結合外業像控點測量成果，在實景三維建模軟件中進行空中三角測量，基本定向點平面中誤差為 0.006 6 m，高程中誤差為 0.001 7 m，精度優于《數字航空攝影測量 空中三角測量規范》GB/T 23236中 1∶500比例尺中丘陵地平面中誤差 0.13 m、高程中誤差 0.11 m的精度要求。

圖5 無人機傾斜攝影現場及完成情況

4.4 基于LiDAR的數字高程模型制作

激光點云分類算法為三角網濾波算法，基本原理是通過反復建立地表三角網模型的方式分離出地表上的點。對完成預處理的激光點云數據進行噪聲點濾除，再進行點云分類將地面點和非地面點分離；然后通過將點云分類顯示、按高程顯示、斷面圖顯示等方法，目視檢查分類后點云，編輯獲取激光點云分類成果。基于地面點構建不規則三角網(TIN)，通過高程暈染圖、反生成等高線等方法，進行數字高程模型的檢查和編輯修改處理；最后按矩形分幅裁切得到數字高程模型成果[5，6]。

圖6 測區DEM成果

4.5 數字正射影像制作

基于LiDAR和傾斜攝影數據的數字正射影像生產有兩種技術路線，一是在建模軟件中完成空三后，制作實景三維模型的同時輸出數字正射影像，優點是影像上高層房屋等有投影差的地物地貌進行了改正，接近真正射影像效果，能夠與線劃圖進行比較好的套合，缺點是模型有拉花的地方影像相應有變形，需要后期進行處理；二是在傳統航測處理軟件INPHO或PIXEL FACTORY中進行正射影像制作。首先在建模軟件完成空三后，輸出下視無畸變影像及對應的定位定姿信息，在傳統航測處理軟件中利用前面LiDAR數據制作的數字高程模型進行單片糾正、自動鑲嵌、人工編輯等工序，制作數字正射影像。實際生產中可根據項目需要，選擇最合適的技術路線進行正射影像生產[4]。

圖7 數字正射影像成果

4.6 數字線劃圖制作

傳統航測成圖是在立體模型下采集居民地、道路、水系、植被、土質、管線及等高線、高程點等要素，將采集的矢量數據套合正射影像制作外業調繪底圖，實地對房屋樓層、地名、水系名稱、道路名稱編號、電力通訊線點位及走向等內容進行外業調繪，最后基于采集成果、調繪成果進行編輯整理成圖。基于傾斜攝影和LiDAR數據的線劃圖制作有二點不同，一是在地物是三維裸眼測圖軟件中基于實景三維模型進行采集，二是等高線、高程點不用逐點逐線采集，通過LiDAR數據得到的DEM反生成等高線，特征點從點云中即可得到。基于三維模型裸眼測圖優點是房檐改正、房屋樓層、單位名稱、電線等可以直接在模型中獲取，二是已經運行的鐵路、高速公路及危化廠區，外業調查難度較大，基于三維模型數據不用外業進行調查，節省工作量。缺點是遮擋嚴重區域，細小地物等建模效果較差的依然需要依靠外業實地調查修補[7，9，10]。

圖8 實景三維模型與DLG局部成果圖

5 效率與精度分析

以數字線劃圖制作為例，空域申請除外，傾斜攝影和LiDAR數據獲取、外業像控測量、實景三維建模及LIDAR預處理共9人天，內業采集編輯、外業調繪修補共33人天，總計42人天完成一平方千米16幅 1∶500地形圖繪制；按傳統2人一組進行外業測量，內業1人進行內業成圖，總計約120人天才能完成。

內業對生產的數字線劃圖，外業設站選擇圍墻、門頂、房屋角等固定地物平面點46點，其中最大差 0.201 m，最小差 0.006 m，中誤差 0.085 m，滿足《基礎地理信息數字成果 1∶500、1∶1 000、1∶2 000數字線劃圖》中丘陵地0.3米精度要求；高程選擇硬質路面、田面及植被茂密區48點，最大差 0.175 m，最小差 0.003 m，中誤差 0.116 m，滿足線劃圖規范中丘陵地注記點高程中誤差 0.2 m精度要求。

6 總 結

利用無人機LiDAR和傾斜攝影獲取的點云數據及建立的實景三維建模進行3D產品的生產經驗證方法可行，但有幾點需要注意：

(1)測區位置空域申請是否可行。近年來無人機安全事故頻發，管制要求越來越嚴，需要提前做好空域申請和評估，任務下達后可及時開展航攝數據獲取。

(2)對于地形起伏較大區域需要進行仿地飛行。小型無人機LiDAR設備測程較短，地形起伏及高樓影響較大，為保證獲取較高地面分辨率的影像和較高密度的點云數據，需要保持固定的相對航高。

(3)外業調繪修補不可避免。實景三維模型測圖雖然可以全方位旋轉模型查看地物的每個方向，但植被遮擋區域及電力線、消火栓等細小地物依然需要外業調繪修補。

目前利用無人機LiDAR和傾斜攝影制作3D產品具有一定成本和技術處理門檻，優勢是同時生產了實景三維模型，對成果應用有著巨大的想象空間。隨著無人機LiDAR和傾斜攝影設備、處理技術的不斷進步，對達到一定規模區域進行3D產品制作優勢將越來越明顯。