贴近摄影和激光扫描技术融合在CIM中的应用探索_谢然.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20220620作者简介:谢然(1989)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，学士，主要从事测绘技术支撑和管理工作。贴近摄影和激光扫描技术融合在CIM 中的应用探索谢然，曹鹏，张力祥，李德元(自然资源部第三地形测量队，黑龙江 哈尔滨 150025)摘要:2021 年住建部提出建设 CIM 平台，为满足城市信息模型基础平台技术导则中对精细模型的要求，本文采用融合贴近摄影测量和架站式激光扫描技术的三维构建方法，通过对某建筑物利用无人机和地面补拍的贴近摄影测量，以及地面架站式激光扫描的点云数据进行融合处理，得出了通过 2 种技术融合得到的成果可以满足 CIM建设中对精细模型要求的可行性结论。关键词:无人机;贴近摄影测量;激光点云;三维实景模型;CIM中图分类号:P231文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06022203Application Exploration of Fusion of Closeup Photography andLaser Scanning Technology in CIMXIE an，CAO Peng，ZHANG Lixiang，LI Deyuan(The Third Topographic Survey Team of MN，Harbin 150025，China)Abstract:With the proposal of the Ministry of Housing and Urbanural Development to build a CIM platform，in order to meet therequirements for fine models in the technical guidelines for CIM basic platform，a 3D construction method integrating closeup photo-grammetry and ground station laser scanning technology is adopted Through the fusion processing of the closeup photogrammetry of abuilding using UAV and ground supplementary shooting，and the point cloud data of the ground station laser scanning，it is concludedthat the results obtained by the fusion of the two technologies can meet the requirements of feasibility conclusions for refined model inCIM constructionKey words:UAV;closeup photogrammetry;laser point cloud;3D real scene model;CIM0引言近年来随着社会治理逐渐趋于精细化和城市数字化理念的逐步深入，为拓展数字孪生城市在智慧场景中的应用和定制服务，建设城市信息模型基础平台已成为必然趋势，目前也有数个城市已经开展城市信息模型基础平台建设的试点工作。按照 2021 年住建部颁发的 城市信息模型(CIM)基础平台技术导则，城市信息模型按照精细度分为 7 级，其中精细模型及其以上级别的模型需包含实体三维框架、内外表面纹理与细节，包含模型单元的身份描述、项目信息、组织角色等信息，精细度要优于 1 500 或 G1、N1。目前，建筑模型构建方法主流手段基本为手动人工正向建模后进行纹理贴图，而受人为误差和分辨率等影响，此种模型的精细化表达往往不理想。利用贴近摄影测量获取的高分辨率建筑物影像和三维激光扫描得到的高精度点云数据进行融合后所生产的建筑模型，可满足技术导则中对精细模型的要求。而室内基于点云数据进行模型构建后再进行单体贴图，也完美地解决了各种人为测量误差导致的模型精度问题。1模型构建技术流程贴近摄影测量与三维激光扫描的结合，实现了空地一体化的数据联合，可以全方位无死角地获取到建筑物表面完整的纹理和坐标信息，基于两者数据融合叠加实现高精度三维模型的建立，数据融合处理总体技术流程如图 1 所示。由图 1 可以看出，贴近摄影测量和三维激光扫描数据融合的前提是需要在统一的坐标系统下进行，采用三维激光扫描仪进行搬站扫描获得点云数据，将测站之间的点云数据进行匹配融合，通过数据滤波过滤掉移动的人图 1贴近摄影及激光点云融合构建三维模型技术流程图Fig 1Technical flow chart of 3D model constructionbased on closeup photography andlaser point cloud fusion或车等杂点后，得到建筑物激光点云数据。采用无人机加地面相机对建筑物进行贴近摄影，获取到具有一定重叠度和位置坐标的建筑物立面和细节高清影像，利用三维建模软件生成区域网，为保证激光点云数据和影像之间的完全贴合，再通过加入像控点和激光点云中选取的立面像控点，生成空三加密数据。将激光点云数据和空三加密数据进行融合后，共同完成三维实景模型的输出。同时利用激光点云数据完成室内单体的模型构建。2模型融合工程实施2 1架站式激光点云扫描及数据处理架站式激光扫描获取真实地理坐标的方式一般为 2种:一是将仪器架设到已知控制点上，使每个测站数据都获得坐标信息;二是在扫描过程中设置球形靶标，通过量测靶标的坐标信息，在点云数据中对靶标坐标进行定义，从而获取真实地理坐标。本次实验中，由于扫描仪可外接 GNSS 设备，故直接通过外接 GNSS 接收机连接省COS 获取到测站点坐标。在进行扫描时，需保证每测站之间的扫描数据有一定的重叠，确保不同测站间的数据可以进行拼接。但重叠部分也不需要过大，一是重叠越多导致测站数量也会越多，造成点云数据冗余;二是相邻测站间的重叠处点云数据可能会出现分层的现象，并且重叠部分越多越容易出现分层，增加内业处理时间。本次实验中，为采集保证建筑物结构精细程度，共进行了 41 站扫描，其中室外 29站，室内 12 站，全程耗时 100 min，覆盖建筑物外侧及部分室内楼层。内业处理中，使用激光数据预处理软件，将激光点云数据与高精度位置数据进行融合，实现空间配准，把激光点云坐标由相对坐标转换为 WGS84 坐标系下的绝对坐标，给每一个点赋予位置等属性信息，实现激光点云数据的快速融合。使用激光数据融合处理软件，可实现测站数据自动拼接，拼接完成后的点云数据通过切片功能在X、Y、Z 三轴方向检查，查看是否有分层、错层的情况，对于部分融合失败的数据，则需手动建立测站间连接点完成配准拼接。本次实验中使用的徕卡 TC360 扫描仪，在扫描过程中仪器端即可创建站点间链接关系，内业预处理时在数据导入完成及自动完成拼接。拼接后需进行数据格式转换、去除异常点、点云分类、抽稀等处理得到最终的激光扫描数据。2 2贴近摄影测量及数据处理贴近摄影测量是张祖勋院士在 2019 年为获取精细化的对地观测数据提供的一种解决方案。为能够贴近建筑物获取其立面影像，目前，基本由旋翼无人机距立面一定距离进行数据采集。贴近摄影测量共分为以下几方面。1)航线规划航线规划一般分 2 种方式:一是参照周围环境设计好不同航线高度，通过飞手手动飞行控制无人机相对立面的距离和拍摄速度实现影像采集;二是先通过倾斜摄影对建筑物建立一个低精度的模型，将建筑物三维模型导入到航线规划软件中，通过设置影像重叠度、地物分辨率等参数，自动生成三维航线。本次实验中使用的是精灵 4TK 无人机，其中带屏遥控器版本更新了立面测量的新型航线规划方式，利用具有实时差分功能的精灵 4TK 无人机飞行到目标点，选取 2 个底边的点和 1 个顶端的点，通过三点确定 1 个面的方式，自动生成立面航线，此种方式既不要求飞手全程手动飞行，提高了作业效率，同时又可以满足航线设计要求，非常适合建筑物立面为平面的影像采集。2)像控点布设为了使激光点云数据和贴近摄影的数据成果融合，本次选取布设地面和立面 2 种像控点进行融合纠正。其中地面像控点在建筑物附近均匀布设，最少不能小于 4 个像控点，地面像控点需布设在清晰无遮挡的地面，可以选取交角良好的停车位、斑马线等具有明显标志物的顶点处，如没有合适的现有地物充当像控点，则需要在布设位置喷绘清晰的像控点标识后再进行飞行采集。立面像控可以选取明显的窗框角、具有直角结构的立面装饰等均匀布设。由于激光扫描的点云数据精度完全可以满足像控点的需求，而且扫描数据中地面和立面数据都清晰明显，故本次实验中的地面和立面像控点都基于激光点云数据进行选取。3)密集匹配将贴近摄影测量获取到的影像和像控点数据导入到ContextCapture 平台，对数据进行空三加密，其原理是光束法线性交会多视匹配，运用到共线方程原理，即像点、摄影中心和物点三点共线。将共线方程线性化，得到多向前方交会的误差方程，通过整理和计算可以得出空间点的坐标值，对误差方程进行迭代运算就可得到准确的待定坐标。2 3激光点云数据和空三加密数据的融合通过密集匹配得到的空三加密数据和激光点云数据进行融合，需要满足数据格式的一致性，同时需要在融合前保证没有冗余点云数据。再此条件下，需要将两者同名点进行匹配，由于激光点云数据精度高于贴近摄影测量精度，所以在匹配过程中以激光点云数据为基准，基于ICP 算法对数据进行迭代，经过多次迭代，可以使点云配准结果更加精确，最后得到融合后的点云数据。322第 6 期谢然等:贴近摄影和激光扫描技术融合在 CIM 中的应用探索3室内外模型构建3 1室外模型的构建利用融合后的点云数据构成不规则三角网(TIN)，再由 TIN 生成白模，软件通过构成白模的连接点在贴近摄影影像中的对应关系，计算出相对应的纹理，并自动映射在白模上，形成三维实景模型。具体操作为将贴近摄影测量的空三结果导入 ContextCapture 平台中，在选择 point-cloud 中的站式三维激光点云数据选项将激光点云数据导入，选择空间参考系，在 3D view 中检查点云融合后的效果，如没有问题则提交模型重建。3 2室内模型的构建本次实验对楼梯间进行了 5 测站的扫描，可以完美地将室内外模型连接起来，让 2 个模型无缝衔接。为了测试实验的可行性，本次实验中只对部分的室内房间进行了激光扫描，将激光点云数据导入 3D Max 建模平台，依据点云数据的空间信息对室内进行建模，在数据采集阶段对室内构件进行拍摄，在完成建模后将拍摄到的影像进行贴图。4成果分析通过贴近摄影测量和激光点云融合建立的建筑物模型，不仅高精度地还原了建筑物细节和结构，同时还再现了建筑物的清晰纹理，而基于单一的站式激光扫描只能得到建筑外立面的数据，无法获取到屋顶的结构数据，若基于单一的贴近摄影测量技术在面对立面环境复杂的建筑物时，又很难实现高分辨率的影像采集，所以将 2 种技术融合后得到的成果将更能满足 CIM 中对模型的需求。基于激光点云数据提供的精确空间信息，将室内空间占位和基本纹理信息实现完整的还原，利用这些数据通过 3D Max 手动建模最终得到的室内模型可完全满足CIM 中精细模型的要求。为了评价贴近摄影和激光扫描融合后建立的模型效果，本文主要对建筑物室外模型从纹理结构和模型精度两方面对成果进行分析。4 1纹理结构通过与传统的人工建模对比，融合数据建立的模型无论从纹理清晰度还是结构逼真程度都比人工模型的效果更好。4 2模型精度贴近摄影和激光扫描融合后的精度和 3 个方面有关:一是激光扫描数据的精度;二是贴近摄影的精度;三是数据融合时同名点捕捉的精度。一般情况下，站式激光扫描仪自身的空间精度可达毫米级，本次实验中贴近摄影中的影像分辨率为 0 55 cm，而同名点捕捉和选取由人工完成，人为误差越小，两者融合后的数据精度越高。本次试验中选取 25 个检查点，分别对贴近摄影模型、激光点云模型和融合建模模型进行量测，计算出融合模型的平面中误差和高程中误差，结果见表 1。表 1三维模型中误差(单位:m)Tab 1Errors in the 3D model(unit:m)模型平面中误差高程中误差贴近摄影测量模型0 021 50 023 9三维激光扫描模型0 016 70 014 4融合建模模型0 018 30 015 6从表 1 中可以看出，融合模型的平面中误差和高程中误差小于贴近摄影测量模型，接近三维激光扫描模型，因此贴近摄影测量和激光扫描融合建模技术模型精度可以满足精细模型的要求。5结束语将贴近摄影测量和三维激光扫描技术融合，既保证了建筑物结构精度，又保证了纹理数据的清晰度，同时无需单独做像控点，可降低外业工作强度，节省时间。单纯利用手工建模虽然可以实现场景仿真，但时间成本高、人工干预较多，完全复原现实场景较难。和传统人工建模相比，融合数据模型更加真实自然，时间成本更低，模型精度和纹理要求符合技术导则中对精细模型的定义，为CIM 建设提供了一个新的可行性方案。参考文献:1刘宝华，王智，宋云记 三维激光点云和无人机倾斜模型的融合应用 J 测绘通报，2021(6):159162 165 2李晓斌，林志军，杨玺，等 基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究J 激光杂志，2021，42(8):166170 3马玲，郑圣培，贺弢 遥感技术在 CIM 建模及模型监测与更新中的应用J 智能建筑与智慧城市，2021(8):2324 4王树臻，郑国强，王光生，等 多源点云数据融合的建筑物精细化建模 J 测绘通报，2020(8):2832，38 5张平 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