三維激光掃描與傾斜攝影測量技術融合的建模效果研究

鄭金瑋,孔 琪,董 聰

(1.中交公路規(guī)劃設計院有限公司北京巖土工程技術分公司,北京100010; 2.湖州市技師學院,浙江 湖州 313200; 3.山東深科空間規(guī)劃勘查設計有限公司,濟南250000)

0 引言

實景三維模型是我國建設領域中必不可少的基礎數(shù)據(jù)之一,能夠直觀展現(xiàn)出建筑的細節(jié)及內(nèi)容,為工程項目提供可視化支撐。但在對建筑展開測繪時,無論是使用三維激光掃描技術還是使用傾斜攝影測量技術,都有可能存在細節(jié)程度低、紋理少、視角存在盲區(qū)等問題,影響實景三維模型的還原程度,進而影響工程項目的推進,因此需探究三維激光掃描技術與傾斜攝影測量技術的融合,對實景三維模型進行進一步優(yōu)化,以滿足實際使用的需求。

在諸多掃描技術中,三維激光掃描技術屬于非接觸式測量技術,具有無需接觸的特點,可以在天氣條件不理想狀態(tài)下展開掃描作業(yè),需在不同平臺上搭載激光掃描儀,對目標展開面狀掃描,通過掃描方式獲得目標的三維坐標信息。三維激光掃描技術的信息采集速度較快,能夠在短時間內(nèi)獲取大量的激光點云數(shù)據(jù),根據(jù)點云數(shù)據(jù)構建三角網(wǎng),進而生成真實地貌的數(shù)字表面模型。激光掃描儀搭載了一個相機,可對地物進行拍攝,利用影像對點云數(shù)據(jù)進行復色,從而使真實場景可被有效還原。對比其他技術,激光掃描技術具有安全性高、環(huán)境適應性強、人員操作簡單、數(shù)據(jù)信息獲取效率高等優(yōu)勢,能夠有效提升工作效率,對生產(chǎn)質量進行優(yōu)化,獲取到的激光點云數(shù)據(jù)具備抗干擾能力強、精準度高、密度較高等優(yōu)勢,無論是在文物修復方面還是在數(shù)字礦山或電力巡檢等領域中都得到了廣泛應用[1]。但是三維激光掃描技術也存在一些不足(如視角盲區(qū)中掃描數(shù)據(jù)完整性不足,相機拍攝過程中視角不夠完美,導致影像中的紋理存在缺陷等),需進一步展開優(yōu)化。

傾斜攝影測量技術是測繪工作中的常用技術之一,通過合理利用無人機對目標信息進行采集。無人機上需搭載一個或多個多角度負責采集影像的相機,通過相機對目標的紋理數(shù)據(jù)及定位信息進行收集,進而有效提升建模效果。對比其他技術,傾斜攝影測量技術具備諸多優(yōu)勢(如成本較低、工作效率較高、視覺效果更加貼近真實、人工干涉較少等),能夠大量生產(chǎn)大場景實景三維模型。但是傾斜攝影測量技術同樣存在缺陷,如果天氣較為惡劣就可能導致數(shù)據(jù)采集不準確或無人機無法作業(yè)等,受到場景、航高、數(shù)據(jù)處理算法等其他方面因素的影響,可能導致傾斜攝影測量技術作用受到影響。水電工程項目中地形起伏較大,弱紋理為主要的覆蓋紋理,可能導致傾斜影像的自動匹配難度提升,影響建模效果[2]。而在大場景當中,建模優(yōu)化需耗費大量的經(jīng)濟成本及人力成本,無法滿足項目生產(chǎn)需求,因此對傾斜攝影測量技術生成的三維建模進行優(yōu)化尤為重要。傾斜攝影測量技術建模與三維激光掃描技術建模對比見表1。

表1 傾斜攝影測量技術建模與三維激光掃描技術建模對比

1 三維激光掃描技術與傾斜攝影測量技術的關鍵及融合

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)準備階段需做好作業(yè)準備,利用三維激光掃描技術及傾斜攝影測量技術展開測量,此過程中,三維激光掃描技術需進行掃描站布設及點云數(shù)據(jù)收集,對數(shù)據(jù)進行測量及采集,而傾斜攝影測量技術則需通過紋理圖像采集方式對數(shù)據(jù)進行測量及采集。測量工作結束后,需將測量數(shù)據(jù)通過外業(yè)工作的方式進行檢查,如果數(shù)據(jù)不合格,則重新返回點云數(shù)據(jù)收集及紋理圖像采集階段,如果數(shù)據(jù)合格則可展開下一步[3]。數(shù)據(jù)合格后,將數(shù)據(jù)導出并進行備份,結束工作。

1.2 三維掃描技術與傾斜攝影測量影像融合建模

如果將三維掃描技術與傾斜攝影測量技術相融合,能夠有效提升影像清晰度,降低測量成本與投入,進而提升工作效率。融合的主要方式是將傾斜攝影測量技術獲取的影像與三維掃描技術獲取的點云數(shù)據(jù)相結合,通過幾何結構將二者融合,獲得融合建模。通過合理利用傾斜攝影測量技術展開空三解算,根據(jù)影像數(shù)據(jù)生成點云數(shù)據(jù)。對激光點云數(shù)據(jù)進行預處理,將處理過的數(shù)據(jù)導入到軟件平臺中。在此過程中應保證點云數(shù)據(jù)的格式相同,通常采用las格式或e57格式。將兩份點云數(shù)據(jù)進行配準,轉換到同一個坐標系中,對融合后的點云數(shù)據(jù)展開空三解算,待解算完成后,根據(jù)融合后的點云數(shù)據(jù)構建不規(guī)則的三角網(wǎng),對三角網(wǎng)進行細致分割,生成三維白膜。一般情況下,軟件會自動獲得影像中存在的紋理,并對分辨率進行設置及勻光勻色操作,將紋理映射至白膜上。部分軟件會在模型紋理貼圖中合理運用賦色點云紋理,達到融合效果。融合建模流程見圖2。

圖1 建筑點云數(shù)據(jù)采集流程

圖2 基于激光掃描技術與傾斜攝影融合的建模流程

2 案例分析

將某牌坊作為三維建模對象,展開三維激光掃描技術與傾斜攝影測量技術融合的建模實驗,通過架站式三維激光掃描技術對目標點云數(shù)據(jù)進行獲取,合理利用傾斜攝影測量技術對目標影像數(shù)據(jù)進行采集。此過程中需合理利用架站式激光雷達進行掃描,其工作原理是將激光測距儀與反射棱鏡進行組合,構成激光掃描儀器,并將激光掃描儀架設在地面之上,通過勻速旋轉掃描的方式發(fā)射激光,并接收返回的信號,以此判斷距離,根據(jù)解算了解車站與掃描站之間的坐標,根據(jù)現(xiàn)有坐標對物體表面三維坐標進行解算,最終形成滿足需求的激光點云數(shù)據(jù)。對比其他點云數(shù)據(jù),架站式激光點云數(shù)據(jù)的精度較高,能夠有效提升傾斜攝影技術獲取影像的清晰度,二者融合可以進一步對現(xiàn)有圖像進行優(yōu)化,滿足使用需求。

通過傾斜攝影測量技術,一共拍攝到78張影像,每張影像的尺寸都是最高分辨率,即5472×3648。對于通過三維激光掃描技術獲取的激光點云數(shù)據(jù),采用徠卡RTC 360作為掃描儀器,保證視角場水平滿足360°,掃描范圍為0.5～130 m,掃描速度最高可達200萬點/s。

2.1 導入數(shù)據(jù)

需新建工程,在軟件中提前輸入采集到的影像信息及POS信息,方便后續(xù)使用。對影像路徑及完整度進行檢查,如果沒有數(shù)據(jù)問題,則可展開下一步空三加密操作。

2.2 空三加密

空三加密需創(chuàng)建空三任務,輸入空三任務的名稱,將影像數(shù)據(jù)導入其中。對姿態(tài)、位置、連接點密度、匹配模式等諸多參數(shù)進行設置,再展開空三解算。本次解算并未解算控制點,因此只有連接點參與解算過程。解算后的影像點云成果見圖3。

圖3 傾斜攝影測量影像空三解算后得到的點云成果

將架站激光掃描儀收獲到的點云數(shù)據(jù)輸入其中,形成圖4,進入點云配準環(huán)節(jié)。需要注意的是,輸入的點云數(shù)據(jù)應為las格式或e57格式。

圖4 架站式激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)

2.3 點云配準

在點云配準環(huán)節(jié),需提取部分激光點云數(shù)據(jù)特征點的坐標信息,將其導入軟件中,在影像點云中展開控制點刺點,提交空三任務,方便展開控制點的平差計算。在此過程當中,合理采用控制點平差計算可對區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)進行精準配準,收獲圖5。點云配準后進行三維模型重建。

圖5 融合后得到的點云數(shù)據(jù)

2.4 三維模型重建

三維模型重建前要提前對融合影像進行判斷,查看點云是否存在分層,如果點云不存在分層則可以開展三維重建。要對瓦塊大小、發(fā)布數(shù)據(jù)格式、模型坐標系、模型原點等參數(shù)進行設置,尋找模型幾何來源及圖片紋理,將二者融入三維模型中,提交重建任務,對模型進行生產(chǎn)構建,收獲圖6,完成三維模型重建[4]。

圖6 融合激光點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的三維模型

3 結束語

在三維模型生產(chǎn)過程中,無論是采用三維激光掃描技術還是傾斜攝影測量技術都可能存在缺陷,需提升建模效果,以滿足生產(chǎn)需求。三維激光掃描技術與傾斜攝影測量技術二者具有互補性,將二者相結合可搭建出紋理細致、工作效率高、盲區(qū)小、細節(jié)進一步提升的三維模型,能夠滿足生產(chǎn)需求,提升工作效率及建筑測繪的可靠性。