融合傾斜影像和激光點云的宿遷學院建筑物數字化保存

曾錄錄，張 麗

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

近年來，科學技術的發展日新月異，市場上出現了越來越多便捷的無人機，傾斜攝影測量技術的發展也日趨成熟。作為采集地表信息數據的主要工具，無人機上搭載多鏡頭傳感器（或者單鏡頭搭配云臺）已成為目前最佳的測量方式，并且建模的成本更低、效率更高。但由于飛行模式和飛行角度存在限制，建筑物外墻也會存在遮擋，因此對建筑物內部無法進行拍攝，采集不到相應的信息數據，同時對建筑物接近地面的部分也會拍攝不完全，采集信息不完整。此外，基于此技術進行實景三維建模時，對于結構設計復雜或者被周圍地物遮擋的建筑物區域所生成的模型都容易出現扭曲、變形和空洞等現象。

傳統的單點測量技術受衛星信號、通視要求等條件限制，在對結構繁雜、范圍較大、拐角較多的內部結構進行數據獲取時既費時又費力，且不易生成實景三維模型，而三維激光掃描則可以高效快捷地實現。因此在需要對一些龐大且復雜的建筑物及周圍設施提取信息時，可借助三維激光掃描儀進行測量。掃描后獲取的激光點云數據都能直接導入相對應的軟件進行數據處理，能快速生成三維模型且展示其各種幾何數據[1]，所獲取的數據既真實又可靠，且數據在精度控制上要比無人機攝影測量好[2]。但為符合用戶實際應用需求，對儀器高度的設計有一定要求，并且建筑物存在一定高度，需要一定的角度進行觀測才能實現。因此，三維激光掃描儀很難采集到建筑物中上部及一些設計獨特的小部（構）件的數據信息。

1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術目前已經發展得比較成熟了。以往的航空攝影測量，只能從垂直于地面的角度進行地物拍攝，從而采集地物頂部的數據信息，適合于生產正射影像和大比例尺測圖。而傾斜攝影測量通過在同一平臺搭載多臺傳感器，或者單鏡頭上搭配可旋轉云臺，同一時間內從不同角度對地物進行拍攝，即可以擴大測量范圍又可以獲取地物整體結構影像。此外，大量的像片提供了豐富的地物信息，增加了可用信息數量，因此可以大大提高模型的生產效率，有效地降低采集三維建模數據所花費的時間和經濟成本。如果采用傳統的人工建模方式對一個中型或者小型的城市進行實景三維建模，需要2～3 a的時間才能建成，但是若使用傾斜攝影技術進行建模則只需要小半年左右就能完成。

相比傳統的垂直航空攝影，傾斜攝影測量的航攝方式、數據處理及結果都有所改進，最終實現了多方位信息的獲取，為用戶提供了全新的多角度體驗，并且能夠獲取更加全面的信息。

無人機傾斜攝影測量系統的組成一般包括飛行平臺（無人機及配套設備）、工作人員、傳感器和姿態定位系統。傳感器包括多鏡頭相機和用于獲取曝光瞬間的3個線元素x、y、z的GNSS定位裝置。姿態定位系統用于記錄相機曝光瞬間的姿態，也就是常說的POS系統。

在進行航線設計時，相對航高、地面分辨率、物理像元尺寸三者都要同時滿足三角比例關系，并且所使用的專用軟件會生成一個飛行計劃文件，其中包含航線坐標和各個相機的曝光點坐標位置。在進行實際的無人機傾斜攝影時，各個相機會根據對應的曝光點坐標自動進行曝光拍攝[3-4]。

完成影像采集后，需要進行影像質量檢查。當影像質量不滿足要求時，比如存在大面積云霧或圖面模糊等現象，需要及時進行補飛。當存在色偏時，如果對成圖有要求，需要進行勻光勻色處理。影像質量合格后，進行幾何校正、同名點匹配、區域網聯合平差及賦予每張傾斜影像坐標信息和方向等一系列操作，使得其具有在虛擬三維空間中的位置和姿態數據[5]。

2 三維激光掃描

激光測距系統是三維激光掃描儀中最為主要的部件，該系統的激光發射器規律性地在二極管中發射出脈沖信號，然后此信號在建筑物表面發生漫反射后由接收器接收并形成接收信號。再由時間計數器對發射時間和接收時間進行作差和計數，經過微電腦對所獲取的數據進行處理，展現或者保存、輸出距離和角度信息，并進行數據匹配，最后由相應的軟件進行處理，獲得建筑物表面的三維坐標系統，從而進行量算或者生成三維模型。

激光發射器發出信號，其某一信號在經過反射后，會原路返回。通過掃描距離S，激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向角度觀測值θ，由此計算出掃描點P的空間坐標P（XP，YP，ZP）[6]。

三維激光掃描一般使用內部坐標系，X軸和Y軸在同一平面內且相互垂直構成橫向掃描面，且Z軸與該面垂直[7]，如圖1所示。

(3) 處治方案需要因癥施策、綜合處治：凹巖腔嵌補、裂縫灌縫等結構修復為根本，仰孔排水、滑坡體外截排水等排水、控水為關鍵，清渣、削坡等減載為輔助，橋梁基礎加固為保障。

圖1 三維坐標計算原理

掃描點P的計算方法如下

本項目所使用的測量儀器是天寶TX8三維激光掃描儀，其視場角為360°×317°，掃描速率為100萬/s。可以在3 min內完成1次典型的測量任務。測量范圍是1.6～340 m，測量精度是5 mm/100 m，且在整個120 m的范圍內都能保證其高測量精度[8]。簡單易用的硬件設施結合Trimble RealWorks軟件，同時保證了外業測量和內業數據處理的時間效率及質量。

3 融合傾斜影像和激光點云的建筑物三維建模

3.1 數據采集

本項目測區位于江蘇省宿遷市宿城區宿遷學院。此次實驗將測區分為A、B、C、D 4個區域進行數據采集，傾斜攝影測量使用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機進行，激光點云獲取使用天寶TX8三維激光掃描儀。選取C區域中的物理實驗樓作為實驗對象。物理實驗樓外形結構復雜、紋理類型豐富，并且周圍植被茂密，具有一定的建模難度，為檢驗該技術的實際應用效果，因此將其作為試驗對象。針對物理實驗樓的特點，制定出可行的飛行方案和掃描方案。

為了得到基于這2種技術所融合的高質量實景三維模型，在數據采集的過程中，無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描應該在同一時間內進行，以此保證二者獲取的點云數據具有最相似的光照效果。

此次飛行依據內業和外業的相關規范，像控點的坐標系使用2 000坐標系，高斯三度帶，中央子午線經度為118°30′，飛機進行航攝時自動采集POS數據[4]。

飛行方案：使用無人機進行傾斜攝影測量，像控點設置6個，在測區內均勻分布，像控點采用噴漆方式，如圖2所示。飛機航攝的高度設置為80 m，航向重疊度設置成70%，旁向重疊度設置成75%，相機角度設置成45°，一共采集到照片455張。

圖2 像控點選點

傾斜攝影測量數據采集流程如圖3所示。

圖3 傾斜攝影測量數據獲取

掃描方案：使用地面三維激光掃描儀對物理實驗樓進行室外掃描，采用靶球拼接的方式，共架設6站，每一測站掃描時間設置為3 min，同時需要布設3個黑白標志，采用RTK獲取其坐標，從而進行坐標轉換。靶球擺放如圖4所示。

圖4 靶球擺放示意

三維激光掃描數據采集流程如圖5所示。

圖5 三維激光掃描數據獲取

3.2 數據預處理

數據采集完畢后，需要對2種點云數據進行處理。多視影像聯合平差和密集匹配是傾斜攝影測量數據處理的關鍵技術[9]。在平差的過程中，將結合POS系統提供的外方位元素，采取金字塔匹配策略由粗到精進行匹配，分別在每一級別上自動提取同名點，并進行光束網整體平差。

傾斜影像冗余較多，如何快速準確地獲取大量同名點很關鍵。與傳統影像匹配的方法不同，計算機視覺的發展使多視影像密集匹配算法成為了主要算法之一，大大提高了在匹配之后所得的數字表面模型的精度和分辨率。本實驗使用Context Capture軟件完成數據的處理。主要過程是，新建項目并導入原始影像、POS數據和控制點坐標。進行一些必要的參數設置后，進行自動空中三角測量。量測全部的控制點后，重新進行空三并建立模型。

三維激光掃描過程中，一些因素會對點云數據造成影響，降低其精度，例如人為、周圍環境、儀器在采集過程中與地物之間的移動造成的噪聲等。因此，需要對數據進行去噪處理，減少數據量，具體操作過程如下：①選擇感興趣區；②將感興趣區的數據生成點云數據；③根據需要，重復①、②的操作，進一步降低噪聲、減少數據的冗余；④將最后生成的點云導出。

3.3 融合建模

首先將點云轉換到同一個坐標系下，其次使用相關算法進行數據匹配，然后使用點云編輯篩選出高質量的點云模型進行融合，最后進行整體建模。此外，需要提前將2種數據統一轉換為*.las格式，這樣便于將二者進行點云數據融合。

由于Context Capture軟件能對傾斜攝影測量所采集的點云和激光點云進行融合且可生成實景三維模型，因此當點云數據經過配準及絕對定向后，二者的點云數據已在同一坐標系統下，則可以在此對2種點云進行融合。在融合后的點云基礎上構建三角網，然后對其進行平滑和簡化，最后基于傾斜攝影影像自動映射紋理，即可生成高精度的三維模型[10]。成果如圖6所示。

圖6 融合后的三維實景模型

4 結束語

本文基于傾斜攝影測量和三維激光掃描的理論基礎進行實驗證明，提出了一種新的生成三維模型的方法，相對于使用單一數據源生產的三維實景模型，融合后所生成的模型，較少會存在由于紋理信息缺失或者存在掃描盲區而導致建模效果欠佳這種情況；將多源點云數據進行融合，對融合后點云數據進行去噪、拼接等操作后，生產的三維模型可提高模型整體質量，減少或避免模型空洞和紋理變形現象，更好地滿足用戶對項目的需求[11]。

基于宿遷學院校園將來可能會整體搬遷的實際情況，對校園建筑物進行實景三維建模，可最大程度還原校園建筑景觀，保留老校園的風貌。這對于創辦20年來所有為宿遷學院發展貢獻過力量的教師和在這里度過大學時光的學生，都具有重要的紀念意義。同時對于新校園的建設，也具有一定的參考價值。