三維激光掃描與傾斜攝影測量技術融合的建模效果研究

魯逸驍

（陜西地礦漢中地質大隊有限公司，陜西 漢中 723000）

低空無人機技術近年來得到了廣泛應用，也帶動了傾斜攝影三維建模技術的快速發展，與傳統攝影測量相比，傾斜攝影可通過多個角度獲取影像信息，還能夠通過多個視角多個維度詳細地觀察地表地物，真實地反映出所攝物體的具體情況，為實景三維建模提供可靠信息支持。聯合配套軟件平臺，可對正射影像技術的數據信息加以彌補，通過批量自動映射紋理，能夠調整各項數據，有效節省了三維建模資源，目前傾斜攝影測量技術在多個行業中已得到廣泛應用。但是如果建筑底部存在遮擋嚴重區域，則無法保證建模效果，也會降低模型的精度，難以滿足用戶的需求。三維激光掃描技術屬于非接觸式主動測量技術，包含著不同的搭載平臺與工作場景，包括機載、地面、車載等多種模式。在激光掃描技術的支持下，可獲得高密度點云，通過獲取影像紋理，采取后期處理技術，可獲得精度更高的三維模型，目前在數字礦山、河道治理、水利工程、文物保護等多個領域都得到了廣泛應用。

1 概述

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術屬于非接觸式測量方法，是主動式測量技術的一種，也被稱為實景復制技術，具有高效率、高精度的特征，在惡劣的觀測條件下，也可以完成外業掃描，實現快速、大面積的地獲取坐標數據，通過數據處理形成三維激光點云在高密度點云的支持下，可形成三角網，完成數字表面模型的建立，而在激光掃描儀上為內置或外接同軸數碼相機，通過拍攝影像，點云附上真彩色，最終所呈現出的數字表面模型，能夠呈現出更為真實的物體場景。三維激光掃描技術的應用操作更為簡單快捷，而且操作更為安全，能獲得精度更高的影像信息，實現了外業數據采集效率的全面提升，還能夠減輕工作人員的勞動壓力，使得生產效率不斷提高，目前在多個領域中得到了廣泛應用[1]。但是三維激光掃描技術的應用也存在不足，比如，在掃描高層建筑物頂部時，可能會出現掃描盲區，相機的拍攝效果并不理想，后期數據處理時效率較低。

1.2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術屬于三維模型構建的重要手段，主要是通過無人機，搭載多角度的影像采集相機，可獲取更為精準的紋理數據信息與定位信息，可保證三維建模效果。該技術成本更為低廉，不會受到人工干預的影響，采集效率較高，可獲得真實的視覺效果，目前在大場景實景的三維模型建設中得到了廣泛應用。但是在實際使用過程中，可能會受到數據處理、算法、環境、天氣、航高等多種因素的限制與影響，使得三維模型重建存在空洞、拉花等缺陷，尤其是如若存在多種紋理覆蓋情況時，或者地形起伏較大時，可能會導致傾斜影像自動匹配難度相對較大，如若飛行器姿態發生變化時也可能會引起誤差，導致建筑物側面或底部模型粘連，無法保證建模效果。如若單體建筑三維模型存在缺陷的，可通過人工修復優化模型結構，但如果屬于大場景建模的，通過人工優化的方式，可能會降低生產效率，增加人力成本，而且可能無法滿足項目的生產需求，致使三維建模效率降低，無法保障三維建模質量。

1.3 技術融合的優勢

使用單一的數據源，在構建實景三維模型時，雖然不同的技術能夠展現出相應的優勢，但是在實際應用中，卻無法滿足項目對三維信息的基本需求。將三維激光掃描與傾斜攝影測量技術融合，能夠彌補使用單一數據源存在的缺陷與不足，使得建立模型的效果得以強化，保證模型建立的可行性，提高模型的精度與質量。在傾斜攝影測量技術的應用基礎上，使用激光掃描技術，既能夠融合空中無人機影像獲取的優勢，也能夠實現與三維激光點云的融合，使得最終獲得的坐標信息更加全面、完善，真實地展現出地表物體情況，實現三維建模精度的不斷增高。

2 融合建模流程設計

獲取融合數據以后需要加以處理，如若為機載激光雷達的，還應當提前準備好航行數據，確定二者的坐標系保持一致，如果出現不一致的情況，需要先進行坐標轉換[2]。將航跡與激光點云坐標相匹配，最終獲得的數據信息可導入配套軟件中，并進行配準操作，隨后準備建模。

傾斜攝影測量技術的應用，需要將數碼相機放置在無人機上，在獲取影像數據時，可實現多個角度去拍攝地表對象，并在進行匹配時，聯合地表同名點坐標加以操作，從而保證能夠盡快獲得地表三維數據。傾斜攝影測量主要數據的是JPG 圖片，在軟件平臺的支持下能夠實現空三加密，聯合密集匹配算法，可對影像的透明點進行自動匹配，結合特征點，構建密集云。

密集匹配環節，可獲取較大數量的點云數據，而此類數據可用于與傾斜攝影與三維激光的密集點云融合，通過提高三維激光點云的精準度，實現三維激光技術對傾斜攝影數據捕捉不足的彌補，使用空中無人機傾斜攝影技術，能夠彌補三維激光頂部掃描盲區的不足，彌補視角存在限制的缺陷，在兩種技術方法的融合下，能夠提高三維建模的精準度，還能夠避免出現局部拉花效應，改善底部問題。聯合使用三維激光技術，可保障三維坐標的精準度，不需再進行外業布設像控點，顯著降低了勞動成本，提高了作業效率。

3 融合建模實施過程

3.1 地面激光掃描及數據處理

三維激光掃描技術可獲取真實的定義坐標，主要涉及兩種方法：其一，在布設部分測站時，需要聯合已知控制點，在控制點上進行對中整平，隨后進行掃描；其二，在獲取點云內業控制點時，可選擇精細掃描已知坐標的標靶。標靶坐標的獲取，也可從兩個方向分別展開：其一，可在已知控制點上布設標靶架；其二，在已知控制點上架設全站儀，通過全站儀測量獲得更為精準的標靶坐標。在使用三維激光掃描儀時，可以與GNSS 設備相連接，在雙頻GNSS 設備的支持下，可獲得精準的測站點坐標。而在使用三維激光掃描時，如若屬于無慣性導航系統，測站與測站之間需要處于同一公共面，從而實現不同測站點云在內業處理時可有效拼接[3]。以Riegl-VZ400 為例，本設備屬于常見的三維激光掃描儀，內部是有慣性導航系統，可精準地獲得姿態，位置應用于外業掃描中，可實現自動拼接，如若拼接失敗，可選擇手動配準拼接，拼接完成以后，可進行濾波、抽稀處理點云，使得點云的處理效果得以保障。掃描儀的應用，需要先保障各測站能夠精準掃描各地物點信息，從而使得測站數量減少，還能夠提高外業掃描效率。掃描時還可結合實際項目需求，科學設置數據采樣頻率與點云密度，實現一鍵掃描。

3.2 無人機傾斜攝影實景三維建模

地面激光掃描能夠實現高精度重建測區底部數字表面模型（DSM），但是對于測區高處，比如建筑頂部常出現掃描盲區的情況，所以地面激光掃描數據可能會出現紋理失真的情況，使用無人機傾斜攝影，能夠在空中通過多個角度進行俯拍，所獲取的影像紋理真實性更高、分辨率更高，對地面激光掃描技術的不足起到了有效的補充作用。為了實現兩種技術的全面融合，在使用無人機傾斜攝影技術時，需要保障各個階段能夠嚴格按照預設參數與標準實施，主要涉及航線設計、像控布設、多視影像空三加密、密集匹配等方面。

航線設計方面，需要根據建筑主體的朝向以及日常方向，科學布置航線，航線主要以井字型航線為主，并使其與測距橫縱線方向一致，在布設航線時，還需要綜合考慮地形環境等因素，防止地形高度影響航線的方向，保障飛行安全。為了保證建模效果及其精準度，在確定各視角時，其地面分辨率應當超過2cm，在輻射航線時航向重疊度應大于80%，旁向重疊度應大于70%。為了保障攝區紋理清晰，拍攝完整，航線航向覆蓋應超出測區邊界8～10 條航線，而在旁向覆蓋應超出測區邊界3～5 條航線，航線至少應高出攝區制高點50m[4]。

在布設像控點時，布設位置包括測距范圍內的邊角點，其余只需要根據具體的控制點要求，保障其均勻分布，點與點之間的距離應當在250～300m 之間。結合現場的地形條件科學布點，在布設各個控制點時，應當優先選擇地物處明顯區域、交角良好的地物交點處。而在地表位置布設相控點時，如若存在特殊的情況，可先將其選擇放置在構筑物的拐角位置處。

密集匹配方面，需要空三加密傾斜攝影數據以及外業相控測量數據，并準備進行密集匹配和空三加密環節，然后對攝區影像進行加載，結合具體的布控要求，適當地增加控制點，根據光束法區域網最終的整體平差，可選取相片中的光線，作為平差單元，而在確定基礎方程時，可將中心投影共線方程作為主要選擇，在實際操作過程中，可獲得公共光線的最佳交匯點并將其應用到控制點坐標系中，可獲得整體區域最佳點，從而精準地恢復地物間位置關系，使用高精度影像匹配算法，通過自動匹配影像數據中的同名點，可獲得更豐富的特征點，為構建密集點云提供支持，使得各地物的細節能夠精確地表達出來。

3.3 三維激光掃描儀點云數據處理

在航空影像中，在密集匹配環節，可獲得豐富密集點云，此類點云可融合激光點云數據，但在數據融合前，需要注意不同的點云數據格式需要保持一致性，一般會轉換為點云通用格式*.las。三維激光點云較傾斜攝影技術相比，精度更高，所以在配準融合兩種點云數據時，需要以三維激光點云作為基準，采用迭代最鄰近點配準法（人工配準與ICP 算法結合）的方式，將三維激光與傾斜攝影密集點云加以配準融合，使最終所獲得的點云模型精度更高[5]。

3.4 模型建立及結果分析

融合點云模型來源于數據融合的基礎，通過空中三角測量建立影像間的三角關系，可形成不規則三角網，再由不規則三角網構成白模，在軟件計算下，可聯合傾斜影像中的數據信息，通過計算與分析，最終得出紋理，并將紋理自動映射到對應白模上，形成更為真實的三維場景。在完成紋理映射與白模建立以后，需要對三維模型效果加以評價，對比單一使用傾斜攝影測量技術，可以發現與激光點云融合之后，所建立的三維模型墻面的平整度更好，還可改善底部效應，減弱拉花現象，最終模型效果明顯得到了優化。

4 關鍵技術環節

第一，在融合傾斜攝影點云與地面三維激光掃描點云過程中，為了保證兩種點云的匹配尺度相一致，獲取更為良好的融合效果，需要確保傾斜攝影影像的分辨率與激光點云密度相同。

第二，傾斜影像的點云需要按照項目的質量要求，對其密度與精度進行提取，必要的情況下，可根據激光點云所獲取的定位信息加以處理。但如果兩種點云最終的精度存在顯著差異，可能無法實現點云的有效融合，此時模型紋理可能會出現拉花與重影。

第三，注意地面激光掃描儀的擺放，需要在既定的需求與標準下合理擺放，同時要科學設置水平角與豎直角范圍，不可發生地物遮擋等問題，保障掃描的全面性[6]。另外，要確保掃描參數設計的合理性，如掃描密度、相機參數與發射頻率等。

第四，在對各點云數據進行單站點定位時，需要先對數據信息進行北方向定位，隨后再進行掃描，否則該站數據可能無法保證定位的準確度，使得多站點校正過程中，激光點云數據無法實現準確定向。

5 結語

綜上所述，在三維建模中，將三維激光掃描機與傾斜攝影測量技術相融合，可有效改善三維模型建模的綜合效果，提高建模的精準度，而且還能夠避免在使用傾斜攝影測量技術時，進行外業像控點布設，顯著減少了外業工作人員的工作量，提高了建模效率。但是兩項技術的融合，需要注意比如針對個別位置紋理失真的情況。而且地面激光掃描儀需要搬站，與車載激光掃描儀相比，工作量相對較大，未來可深入探究如何實現傾斜攝影測量技術與車載移動測量技術的融合，以提高工作效率。