基于激光点云和倾斜影像的三维建模方法研究

许一帆 郭杰

摘要：[目的]基于三维激光扫描和倾斜摄影进行三维实景建模的方法各有优缺点：三维激光扫描精度高，但测量范围小，无人机摄影测量范围广，但是容易缺失数据。[过程与方法]针对以上问题，综合运用两种测量技术获取空间数据，提高测区三维模型精度，由此开展应用研究。[结论]研究表明，两类技术综合运用可实现测区三维数据完整采集；通过统一控制点坐标系和迭代最临近点配准算法可有效融合两类点云，能构建高时效、高精度、高分辨率的三维模型；该方法提高了测量作业的自动化程度和影像清晰度，可应用于多种场合的测量。

关键词： 倾斜摄影；三维激光扫描；实景模型；复杂地形地物测量

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）28-0282-04

Research and Application of Surveying and Mapping based on Laser Point Cloud and Tilt Photography

XUYi-fan， GUO Jie

（Army Engineering University， Nanjing 210007， China）

Abstract： Three-dimensional laser scanning and tilt photography have their own advantages and disadvantages： high accuracy of three-dimensional laser scanning， but the measurement range is small， UAV photogrammetry range is wide， but easy to missing data. In view of the above problems， two kinds of measurement techniques are used to acquire spatial data to improve the accuracy of the three-dimensional model of the survey area， and then applied research is carried out. The research shows that the integrated application of the two technologies can realize the complete collection of 3D data in the survey area； the unified control point coordinate system and the iterative nearest neighbor point registration algorithm can effectively fuse the two types of point clouds， and can build a high-efficiency， high-precision， high-resolution 3D model； the method improves the automation of the measurement operation and image clearance. It can be applied to many kinds of occasions.

Key words： oblique photography； three-dimensional laser scanning； digital elevation model； complex topographic survey

在工程測量过程中，经常需要更高比例尺（1：2000或1：1000）的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）模型。三维激光扫描和无人机倾斜摄影是应用最为普遍的三维测量技术方法，两类技术在数字建模、考古挖掘、地形测绘、文物保护以及灾害评估等诸多领域实现了突破性的应用进展[1-6]。

然而，无人机倾斜影像三维建模在影像预处理、空中三角测量、模型建立后等各技术环节，还存在数据冗余、模型变形、影像缺失等多种问题[7]。此外，针对复杂地形条件下的大面积测绘需求，利用3dmax软件修补空洞的方法具有主观性，不能真实反映模型情况。

作为航空遥感的一种，无人机倾斜摄影技术主要应用于城市的三维建模，以及一些不适合实地测量的场所。因此，无人机倾斜摄影技术已应用于国土安全、应急指挥、城市管理、环保监测、灾害评估等各个行业领域。

三维激光扫描技术（terrestrial laser scanning，TLS）是20世纪90年代发展起来的一种基于激光测距原理的遥感监测手段[8]。TLS技术突破了传统的单点测量，能够快速获取目标物表面的海量三维坐标数据，满足各种应用需求[9-10]。TLS具有速度快、精度高、范围广、非接触式工作、主动性工作、数据可量测、获取信息丰富等优点，因此适用于小范围构建精细模型[11-13]。

本文通过综合运用TLS技术和无人机倾斜摄影技术，对南京市主城区某典型地域进行测量试验，探究三维测量技术在工程应用领域的适用性程度，研发适用于不同环境下工程测量的新技术流程。

1 基于点云数据的三维建模方法

本文通过无人机倾斜摄影与TLS技术，获取点云数据，构成了三维建模地理数据的基础来源，通过迭代最临近点配准算法（Iterative Closest Points，ICP）完成配准，得到精度更高的三维实景模型。

1.1 无人机倾斜摄影

无人机测绘采用小型飞行器搭载高像素摄像头，是一种在一定的高度进行地面的航摄，拍摄一组具有一定航向重叠度与旁向重叠度的像片，并利用软件进行处理，建立数字地面模型的一种非接触测量手段。相对于传统的测绘，无人机测绘有着快速测绘、高精度出图与建模、受地形影响较小的优势[14]。倾斜摄影具有成本低、效率高、真实性强、数据量小的优势。此外，倾斜摄影获取的数据准确度高，误差小，数据源的数据质量有保证。利用无人机航空摄影测量技术，可获取高分辨率航空影像，通过影像纠正、影像融合等方法，快速处理大范围场景影像，完成大面积测区数字正射影像制作。

1.2 三维激光扫描技术

三维激光扫描是一种通过连续旋转发射激光，通过目标反射将扫描地物的空间位置信息以三维点云的形式记录下来的测量手段，广泛应用于社会生活的各个领域，主要包括林业调查、医学与工程测量、建筑与文物保护、数字城市等方面。

三维激光扫描多采用脉冲式测距为主，经激光发射、探测、延时估算来获取回波脉冲时间间隔，进而求解发射点与反射点间距，基本公式为：

[d=ct/2Δd=cΔt/2]

其中，c为激光传播速度，即光速；d为发射与反射点空间距离；t即脉冲发射与接收时间差；△d与△t分别为激光测距仪的空间与时间分辨率。

1.3 ICP算法

将不同坐标系下的点云转换到统一坐标系下的过程叫作点云配准，在对通过倾斜摄影与三维激光扫描方法完成两种点云的融合的过程中，ICP算法起到了重要作用。ICP算法是点云配准算法中最常用的算法，Besl和Mckay[15]提出最初的ICP算法，得到广泛应用。

1.4 综合运用

通过多旋翼无人机获取航空影像，经匀光匀色、几何校正、同名点匹配、区域网联合平差，通过三维建模等关键技术制作测区三维倾斜测量模型数据，模型具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，可进行实时量测[16]。

使用三维激光扫描仪，将获取测区的高精度点云数据，拼接、滤波、多边形拟合、孔洞修补，分区域选择相片进行纹理映射，制作具有实时量测功能的真三维模型[17-20]。

然而，TLS技术存在对高密度植被无法穿越、受潮湿环境影响较大、数据处理对软硬件要求高等不足[11]，而倾斜摄影产生的三维模型会产生空洞和失真，水面的三维模型存在大面积空洞和地物模型边缘平滑[21]等缺陷。

因此，针对任务特点和测区地形地物复杂的特点，试验采用无人机倾斜摄影测量和地面三维激光扫描相结合的方式进行，通过以上技术完成采集数据的集成，并克服两种数据采集技术的缺陷。

2 试验验证

2.1 测区概况

本次试验以清凉山公园为测区。清凉山公园位于南京城区西郊，经纬度32.05°N，118.76°S，地处北亚热带季风气候区，区域内有植被、水系、建筑物、道路、古迹等多种地物，地势陡峻，植被复杂，区内人口稠密，属于江南丘陵区。测区高差80米，面积约1.2平方千米，其中植被面积25.20万平方米。

鉴于测区地形地貌的复杂性和特殊性，采用常规测量手段施测难度大，作业效率低，而无人机航空摄影测量与三维激光扫描技术能有效地解决常规地形测量的不足。本项目采用无人机对测区全范围进行航空摄影并航测成图，采用三维激光扫描技术修补测区空洞，对测区进行全野外数字化测图，同时也有利于对成图精度符合性进行检验。

2.2 工作流程

本次实验先用无人机倾斜摄影技术做大面积数据采集，合成osgb格式的DEM三维模型，而后针对无人机倾斜摄影产生的空洞，采用三维激光扫描技术，对空洞地区进行补测，再融合两次作业的结果，得到精确的融合地形数据。

2.2.1 仪器和软件

采用仪器包括： 垂直起降固定翼无人机：大疆无人机M600Pro （ 飞行总重： 24 kg，任务载荷： 2 kg，巡航速度：25 m/s，续航时间： 4 h，抗风能： 7 级） ； 可量测型航测相机： 成都睿铂RIY-D2 （ 五相机镜头，有效像素： 1 亿像素，画幅： 53.4 mm× 40 mm） 。采用軟件包括：无人机摄影测量数据自动处理系统： Smart3D，三维激光扫描仪：Riegl-R400及配套软件：RISCAN Pro。

2.2.2 数据采集过程

1） 无人机倾斜摄影

本次无人机倾斜摄影试验，共有6个像控点（见表1），采用像控坐标系为2000坐标系，高斯三度带，中央子午线120度，航摄时自动采集POS数据。

2） 三维激光扫描

试验测站7个（见表2），每次测站用时8分50秒。三维激光扫描采集完毕后，利用RISCAN软件完成点云数据的数据集成。

3） DEM与DOM制作

使用smart3D软件，通过倾斜摄影过程中得到的POS数据和三维激光扫描测站得到的RTK数据，采用ICP算法，合成倾斜摄影获得的DEM模型与三维激光扫描得到的DEM模型，得到更精细的DEM模型，而后通过贴纹理得到数字正射影像（Digital orthoimage model，DOM）模型。

3 项目试验成果

3.1 精度分析

点云是激光扫描和倾斜摄影测量成果的基本体现形式，记录着测量对象平面、高程及表面色系等信息，是实施后期建模、专业分析的基础数据。因此，三维点云数据的测量精度至关重要。为判别测量成果精度准确性，本文引用 RTK 实测数据与2类成果点云进行比较验证，2类点云数据在水平面上均具有良好的控制效果，误差基本在毫米级和厘米级，但无人机倾斜摄影在高陡地形上的高程精度控制明显要弱于地面三维激光扫描，误差达到米级，如表3。为弥补点云之间局部偏差问题，宜以三维激光点云为基准，将倾斜摄影点云进行配准拟合，实现点云数据的融合。

以上结果表明，本次测绘试验在无人机倾斜摄影数据基础上合成高精度的三维激光扫描点云数据效果良好，证明该方法可用。

4 结束语

本文通过综合运用倾斜摄影与TLS两种手段，提出了一种在复杂地形条件下的高精度方法。三维激光扫描点云数据在精度控制上要优于无人机摄影测量，以激光点云为基准，采用基于特征点的ICP 配准算法可有效融合两类不同的点云数据，从而高效率构建高精度、高分辨率的三维点云模型，由此克服地形地物的限制与遮挡，实现对复杂地面信息的无死角数据采集，提高了作业效率，此外还减少了3dmax人工修补空洞的工作。采用 RTK 与POS数据统一激光扫描和倾斜摄影的控制点坐标系，可保障 2 类测量成果坐标统一，便于利用ICP配准算法实现两类不同测量成果的数据级匹配。

在工程应用中，融合的地形三维仿真模型能够真实反映作业环境，能多尺度精确监测作业区的工况和安全隐患，有效辅助工程作业，可提高作业效率。在自然灾害检测领域中，该技术可用于滑坡监测、土壤侵蚀监测、敏感地貌微形变监测、水灾害边界追踪等方面的数据采集[11]，结合两种技术，可以获取更精确的数据。

该技术不仅能够得到高精度的DEM模型，而且还能够清晰显示图形符号（见图7），因而还可以用于目标智能识别和图像语义分割。

不足之处，在三维激光扫描过程中，由于测站附近树木摇晃幅度较大，采集的数据无法完全匹配，导致数据利用率降低。

参考文献：

[1] 程小龙，程效军，贾东峰，等.三维激光扫描技术在考古发掘中的应用[J].工程勘察，2015，43（8）：79-86.

[2] 董秀军.三维空间影像技术在地质工程中的综合应用研究[D].成都：成都理工大学，2015.

[3] 张志军，田亚坤，韩艳杰.基于 3D 激光扫描技术的绕腰法采空区资源回收方法研究[J]]中国安全生产科学技术，2015，11（ 8）：58-63.

[4] 张平，刘怡，蒋红兵.基于倾斜摄影测量技术的“数字资阳”三维建模及精度评定[J].测绘，2014（3 ：115-118.

[5] 刘洋.无人机倾斜摄影测量影像处理与三维建模的研究[D].抚州：东华理工大学，2016.

[6] 谭仁春，李鹏鹏，文琳，等.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J].测绘通报，2016（ 11）：39-42.

[7] 邱春霞，董乾坤，刘荣华.无人机倾斜影像三维建模中的模型精细化[J].测绘通报，2017.（11）.133-138.

[8] 梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报，2010（1）：53-56.

[9] MILAN D J， HERITAGEG L ，HETHERINGTOND.Application of a 3D laser scanner in the assessment of erosion and deposition volumes and channel change in a proglacial river[J].Earth Surface Processes and Landforms ，2007，32（11）：1657-1674.

[10] 董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25（22）：3629-3635.

[11] 杜超，赵进.TLS技术在环境地质灾害监测中的应用进展[J].测绘科学，2018.6， 43（6）：65-72.

[12] Delaloye&Danielle.Development; of a new methodology for measuring deformation in tunnels and shafts with terrestrial laser scanning（ lidar） using elliptical fitting algorithms[D].Kingston： Queens University，2012.

[13] en H，Liu Z，Han Z，et al. Application of 3D Laser Scanning Technology in the Surveying and Mapping Goaf[J].Gold Science&Technology;，2013，21（3）：64-68.

[14] 宋濤.无人机测绘与现代基建工程，中国测绘地理信息学会学术年会论文集[C].2017：85-90.

[15] Besl.P.J，Mckay.N.D. A Method for registration of 3D shapes[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1992，14（2）：239：256.

[16] 崔明军.关于测绘测量的无人机技术实施要点解析[J].世界有色金属，2016（8）：96-97.

[17] 赵国强.基于三维激光扫描与近景摄影测量数据的三维重建精度对比研究[D].焦作：河南理工大学，2012：56.

[18] 白成军，吴葱.文物建筑测绘中三维激光扫描技术的核心问题研究[J].测绘通报，2012（1）：38.

[19] 清华大学建筑设计研究院文化遗产保护研究所，北京清华城市规划设计研究院文化遗产保护研究所.佛光寺东大殿建筑勘察研究报告[M].北京：文物出版社，2011：72.

[20] 刘刚，张俊，刁常宇.敦煌莫高窟石窟三维数字化技术研究[J].敦煌研究，2005（4）：104-109.

[21] 谭仁春，李鹏鹏，文琳，等.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J].测绘通报，2016（11）：39-42.

[22] 鲁恒，李永树，何敬，等.无人机低空遥感数据的获取与处理[J].测绘工程，2011，20（ 1） ：51-54.

【通联编辑：梁书】