基于多源融合数据处理的航测软件对比分析

张中月 吴长悦

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210)

引言

2022年2月24日，自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工等[1]。基于实景三维对现实世界的高精度、强现势性刻画，可实现人文及自然景观在线浏览，足不出户世界环游。在应急救灾中，基于实景三维可对现场环境更精准的判断以及制定救灾方案，减少危险环境给救灾人员带来的伤害[2]。

近年来，随着数字技术和无人机倾斜技术的发展，利用无人机倾斜技术可快速高效获取研究对象的信息。然而，由于倾斜摄影技术在作业方法及数据采集方式的限制，对于某些房屋被遮挡区域及较为狭窄的阴影区域的数据采集存在模型扭曲、变形现象，进而导致地物信息的缺失[3]。在软件处理效率方面，模型重建时基于匹配点云进行重建三角网构建时间较长且结构精度不如三维激光扫描点云。激光Lidar技术采集点云位置精度更高，能够修补倾斜摄影中的点云空洞。且随着实景三维的不断推进，激光Lidar的获取方式不仅仅局限于地面架站式扫描仪和机载Lidar，手持式SLAM激光雷达价格越来越大众化使得其广泛应用。基于倾斜技术和Lidar技术融合，可以实现高效的三维模型精细建模，此方式为精细化建模提供了新思路。

市面上倾斜摄影软件众多，最早以国外软件为主，如Context Capture、Pix4D、Photo Scan等，随着软件国产化及用户需求量的不断增加，国内自主研发摄影测量软件更加完善，瞰景Smart3D、大势智慧、大疆制图等国产软件已赶超国外软件。但众多的摄影测量软件中，其处理方式及侧重点各不相同，软件的有效选择，能够在多源数据处理时效及模型精度上得到提高，如何选择一个适合多源数据融合处理的软件尤为重要。

针对此问题，为实现更高效精细化建模，本文以邯郸市某厂房为研究对象，以倾斜数据和机载Lidar数据为主，基于市面上2款软件Context Capture和瞰景Smart3D软件对数据进行处理，并对处理时效及模型精度进行分析，为基于倾斜摄影和激光点云数据生产模型的航测软件选择提供参考。

1 倾斜摄影和机载Lidar技术融合技术流程

1.1 统一坐标系

坐标系的统一对于倾斜摄影和机载Lidar数据融合尤为关键，本文以倾斜摄影坐标系为基础，通过同名点配准对其进行粗配准，并以ICP配准方式对其再次配准，以实现高精度融合的目的。

本文同名点配准通过同一控制点实现同名点配准，假设机载Lidar数据一点P在其初始坐标系坐标为(x，y，z)，其在目标坐标系下坐标为(X，Y，Z)，通过对P原始坐标系o-xyz进行平移、旋转、缩放等变化，使其与目标坐标系O-XYZ重合，实现同名点配准，本文因不涉及畸变，故只进行平移、旋转，同名点配准数学模型如下：

(1)

ICP算法是目前点云配准的主流算法之一，其本质是基于最小二乘法原理，求解刚体变换参数，变换参数包括旋转矩阵和平移向量。给定2个对应的点集P(源点云)和Q(目标点云)。在进行点云配准时，假设目标点云的坐标系作为固定参考系，对源点集P作旋转和平移变换[4]。通过旋转、平移更新源点云P的坐标信息，并与目标点云Q进行迭代判断，当E(R,t)足够小或达到迭代次数时停止，使得多源点云完成配准融合。误差函数：

(2)

1.2 多源数据融合流程图

图1 多源数据融合流程图

2 软件与数据源

2.1 Context Capture软件

Context Capture软件由法国Bentley公司研发，是一套集合了全球先进数字影像处理、计算机虚拟现实以及计算机几何图形算法的全自动高清三维建模软件[5]。在易用性、数据兼容性、运算性能、友好的人机交互及自由的硬件配置兼容性等方面有着较高水准[6]。基于Context Capture生成的模型用户可以分析/掌握现有条件，进行风险管理、安防管理，监督建筑/施工项目，以及通过模拟培训地面工作人员等，从而可以优化决策，降低风险，减少成本，其构建模型可达到毫米级精度[7]。

在多源数据处理应用上，Context Capture支持多源数据融合方式为三维模型提供结构，并支持使用照片纹理或点云颜色对模型纹理进行映射，多种方式结合可为用户提供更合适的建模方案。

2.2 瞰景Smart3D软件

瞰景Smart3D全自动实景三维建模软件，是一套以数字摄影测量、计算视觉、计算机图形学等技术为核心，开发的一套适用于快速全自动倾斜摄影测量三维实景建模国产软件。软件将各类数码影像和扫描点云生成三维实景模型。在国内受到国外软件使用限制的大潮下，瞰景Smart3D全自主研发，软件对提高城市三维模型的生产效率并降低生产成本及促进实景三维中国建设的发展具有重大作用。

其空三算法高效，独有的分布式空中三角测量算法让测量成果更精确、稳健，实现了倾斜实景三维大数据全流程的并行处理；不仅支持集群运算，多种操作系统(包括Linux)，而且支持单机多开充分利用计算机资源，具有更高的处理效率，节省大量建模时间。

在多源数据处理应用方面，其支持更多的选择供用户使用，不仅支持多源数据融合方式为三维模型提供结构，同时支持仅以激光点云为模型提供结构的建模方式，使处理方案更多样化。同时，其处理时效因其独有的算法，在精细化建模以及应急救灾方面颇有成效。

2.3 数据源

本实验数据来源于武汉市某地区的厂房数据，该地地形平坦，厂房主体以砖结构为主，屋顶以彩钢为主，航摄面积约0.33km2。倾斜实验数据获取相机型号为FGA2635，相机焦距25mm，航向重叠度75%，相对航高100m，无倾斜角，分辨率为6252×4168像素，像片数量2850张。机载Lidar数据使用飞马D200和D-Lidar200作为采集平台，其配备高精度Lidar采集模块级POS系统；设定点云密度18点·m-2，旁向重叠度35%采集区域面积约0.09km2。

图2 多源数据融合后点云

3 多源数据模型分析

本次实验基于相同的硬件环境，基于Context Capture和瞰景Smart3D分别处理，通过记录不同软件各自不同重建设置模式下重建时间，进行综合时效对比分析；模型结构及细部纹理分析方面，基于不同软件对数据融合前和融合后生成模型进行对比，并对其不同重建方式下模型进行对比分析。

3.1 综合时效分析

在实景三维中国建设阶段，效率一直是尤为关注的问题，以及在应急救灾方面，时间就是生命，因此本文首先对不同软件下各自时效进行综合分析。在进行模型重建时，显卡及内存的配置发挥尤为关键的作用，本实验在同一硬件环境下进行，基于Nvidia GeForce GTX 1060 6GB显卡和64G运存计算机对数据进行处理，结果见表1。

表1 同一区域数据点云照片混合建模Smart3D和CC效率对比

对不同模式下计算效率进行分析，基于瞰景Smart3D软件平台下进行处理，单一使用倾斜摄影像片生成的密集点云同多源点云数据混合建模相比时间相似，分别为24.5h、23.8h，多源数据混合模式下重建时间略快；但当激光Lidar生产出的点云为重建TIN三角网数据源时，只需3.1h即可完成，时间远超过传统倾斜摄影建模，效率高达8倍之多。

基于Context Capture软件平台进行重建处理，不同模式下效率上均低于瞰景Smart3D，在以激光Lidar点云为主和以倾斜摄影生成密集点云为主2种模式下，使用激光Lidar生产出的点云为重建TIN三角网数据源效率均高于传统倾斜建模方式，时间分别为30.5h、17.5h。多种模式下Context Capture不同于瞰景Smart3D的是，Context Capture软件基于照片混合建模方式下，要慢于传统倾斜建模方式。

对于2个软件平台相比之下，传统倾斜建模方式下，国产软件瞰景Smart3D比Context Capture快1.2倍；基于激光Lidar模式下，前者比后者快5.8倍，效率远高于后者；多源数据融合模式下，前者比后者快1.4倍，瞰景Smart3D在时效上远超于Context Capture。

3.2 模型结构分析

对于测绘及其他生产需要，除时间效率尤为重要，模型结构是否完整也是其好坏的重要评定因素。结构机载激光雷达与倾斜摄影测量、GNSS-RTK等测量技术相比，机载Lidar技术获取的点云数据密度大，获取效率高、需要时间短，反映出的地面高程模型更接近于真实，主动测量方式能够有效克服植被、建筑物等地物的影响。

本实验对模型结构分析主要通过主观分析，对模型的结构精细度进行分析。2款软件基于Lidar点云进行重建的结构进度均好于倾斜摄影方式，在厂房屋顶的整体结构方面，2款软件相差不大；但在屋顶的侧面结构处，Context Capture效果优于瞰景Smart3D，不会产生断面的情况。具体模型白模对比图如图3所示。

图3 基于激光Lidar点云模型白模

模型重建主要流程为影像匹配；生成DSM、纹理映射、三维重建等；通过多数据融合可自动优化不合理的三角网表面，最终重建精度更高的大型牌式古建筑的实景三维模型。对比2款软件下的TIN三维网格模型，Context Capture软件处理的TIN三维网格模型明显密于瞰景Smart3D，如图4所示。

图4 基于激光Lidar点云TIN三维网格模型

3.3 细节纹理分析

通过多源数据融合完成了模型重建工作，对最终融合效果进行细节纹理分析可知，通过多源数据融合重建方式生成的模型轮廓线完整，色调无误差，纹理鲜明；2款软件在整体纹理上同传统方式相比无差，如图5所示；在部分细节纹理上，瞰景Smart3D所生产模型无大面积贴图模糊、贴错的情况，如图6a所示，基于Context Capture所生产的模型存在部分贴图错乱的情况，如图6b所示。

4 结论

针对如何选择一个适合多源数据融合处理的软件的问题，本文以邯郸市一钢结构厂房为研究对象，采用了多源数据辅融合技术，以倾斜摄影与机载Lidar为主，完成了建筑精细化建模，模拟了整个建筑物三维重建流程。并对模型重建阶段的综合时效，以及模型重建完成后的模型结构、细节纹理进行对比分析，得出如下结论。

国内自主研发的瞰景Smart3D依据其独特的算法及对机器高效的利用率，不论采用哪种重建方式，在时间上都远远快于Context Capture软件，在应急救灾及大规模的航测生产中相比后者更适用；2款软件在生产模型的结构细节上都达到了生产的要求，同时相比单一倾斜摄影的方式更精细，Context Capture软件在模型侧面的结构重建上优于瞰景Smart3D，其TIN三角网模型优于后者，但也因此数据处理量大大增加，生产时花费时间增多；瞰景Smart3D软件对于纹理特征的处理较为理想，部分细节贴图处优于Context Capture，供用户选择模式较多，更加方便用户根据需求选用。

综上所述，2款软件在对于多源数据处理时都适用，但效果上各有千秋。在多源数据处理时，可根据实际情况对其进行选择，达到快速、高效精细化建模的目的。