摘要
為改善城市實(shí)景模型構(gòu)建效果，為智慧城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持，本研究提出基于傾斜攝影和激光點(diǎn)云融合的城市實(shí)景三維重建方法。通過(guò)將不同站點(diǎn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及傾斜影像提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系，完成多源點(diǎn)云的初步匹配，再利用引入旋轉(zhuǎn)角約束以及動(dòng)態(tài)迭代系數(shù)的改進(jìn)迭代最近點(diǎn)算法對(duì)其作精確配準(zhǔn)，從而完成多源點(diǎn)云融合。在Context Capture軟件中，對(duì)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成三維表面的三角網(wǎng)格表示。通過(guò)對(duì)三角網(wǎng)格的優(yōu)化調(diào)整，得到三角網(wǎng)格模型，為模型添加紋理貼圖，從而成功實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景的三維重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：重建后的城市實(shí)景三維模型在紋理細(xì)節(jié)上表現(xiàn)突出、形態(tài)逼真，與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在極小的點(diǎn)位誤差，范圍在0.005～0.017 m。
引用
[1] 賈曉博. 融合傾斜攝影和激光點(diǎn)云的城市實(shí)景三維重建方法[J]. 北京測(cè)繪, 2025, 39 (02): 170-176.
DOI:10.19580/j.cnki.1007-3000.2025.02.008.
0 引言
隨著城市化進(jìn)程的加快，科技的持續(xù)發(fā)展，城市規(guī)劃與管理面臨越來(lái)越高的要求 [1] 。傳統(tǒng)的城市規(guī)劃手段往往依賴二維地圖和有限的地理信息數(shù)據(jù)，難以全面、準(zhǔn)確地反映城市的復(fù)雜性和立體性 [2-4] 。高效、精確地獲取城市的三維信息，成為城市規(guī)劃領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題 [5] 。城市實(shí)景三維重建已成為推動(dòng)城市智慧化、精細(xì)化發(fā)展的重要手段之一 [6] 。隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注如何利用多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)提升城市實(shí)景三維重建的精度和完整性。多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合技術(shù)，即將來(lái)自不同傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與處理，已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是，多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合技術(shù)在城市實(shí)景三維重建中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)同步性、精度匹配、噪聲處理、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理效率等。
李寧等人通過(guò)搭載在無(wú)人機(jī)上的傾斜相機(jī)對(duì)仿古建筑物進(jìn)行多角度拍攝 [7] ，獲取三維重建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)多幅影像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和對(duì)齊，完成多幅影像拼接。利用Context Capture軟件生成仿古建筑物三維模型，傾斜攝影能夠真實(shí)反映地物的立體形態(tài)，但容易受拍攝條件的限制，導(dǎo)致生成的三維模型出現(xiàn)紋理信息不豐富、細(xì)節(jié)表現(xiàn)不完善等問(wèn)題。趙麗娜等人采用三維激光掃描設(shè)備獲取城市景觀三維點(diǎn)云數(shù)據(jù) [8] ，將從不同站點(diǎn)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系并配準(zhǔn)后，通過(guò)三角網(wǎng)建模、紋理映射等完成景觀重建。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠精確地反映地物的空間位置和形狀信息，但容易受其他物體遮擋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不完整。文獻(xiàn) [9]在采集建筑群點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于幾何關(guān)系約束建立構(gòu)造實(shí)體幾何建模方法（constructive solid geometry,CSG）-邊界表示法（boundary representation,BRep）混合樹(shù)，巧妙地將建筑邊界空間分解為多個(gè)多面體單元，利用拓?fù)潢P(guān)系約束選擇近似建筑物形狀的單元，將建筑模型轉(zhuǎn)換為城市地理標(biāo)記語(yǔ)言（city geography markup language,CityGML）格式，使得重建的模型能夠與城市地理信息系統(tǒng)無(wú)縫集成，但無(wú)法充分捕捉復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征，從而影響重建精度和完整性。周勇等結(jié)合傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代最近點(diǎn)（iterative closest point,ICP）配準(zhǔn)，使得橋梁數(shù)字化建模效果獲得有效提升，但I(xiàn)CP算法對(duì)初始位置較為敏感，一旦初值選擇不當(dāng)，可能會(huì)陷入局部最優(yōu)解，影響多源數(shù)據(jù)融合效果 [10] 。鑒于以上問(wèn)題，本研究基于傾斜攝影和激光點(diǎn)云融合的城市實(shí)景三維重建方法，獲得更逼真的實(shí)景模型，為城市信息化建設(shè)等提供有力的技術(shù)保障和支持。
1 城市實(shí)景三維重建
1.1基于傾斜影像點(diǎn)云和激光點(diǎn)云融合的城市實(shí)景三維重建流程
基于傾斜攝影和激光點(diǎn)云融合的城市實(shí)景三維重建流程如圖1所示。該流程由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維重建三個(gè)階段構(gòu)成。通過(guò)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載的地面激光掃描儀和多視角影像設(shè)備，獲取城市實(shí)景多站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)、航攝影像數(shù)據(jù)以及位置與姿態(tài)系統(tǒng)（positionandorientation system,POS）數(shù)據(jù)，可為后續(xù)城市實(shí)景建模工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)采集的原始影像數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后，通過(guò)精確對(duì)齊和匹配，可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源點(diǎn)云的空間融合。最后利用處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)，生成實(shí)景三維模型。
1.2傾斜攝影數(shù)據(jù)采集
本文利用集成了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（real-time kinematic,RTK）的大疆無(wú)人機(jī)執(zhí)行城市實(shí)景航拍任務(wù)，無(wú)人機(jī)配備了2.54 cm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxidesemiconductor,CMOS）傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集高達(dá)2 000萬(wàn)像素的城市實(shí)景傾斜影像數(shù)據(jù)，從而確保城市實(shí)景影像數(shù)據(jù)采集的高質(zhì)量 [11] 。該無(wú)人機(jī)能夠以最高50 km/h的速度進(jìn)行定位飛行，在快速完成多視角城市實(shí)景傾斜影像數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，將定位精度保持在厘米級(jí)。本文采用東西航線規(guī)劃方式，將航向、旁向重疊度參數(shù)均設(shè)定為85%，并從45°傾斜角度進(jìn)行城市實(shí)景拍攝，以減小太陽(yáng)角度變化引起的陰影問(wèn)題，使城市實(shí)景側(cè)面、頂部信息采集完整。為了獲取最佳的傾斜影像采集效果，將無(wú)人機(jī)設(shè)定在確定的高度上飛行。
1.3激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集
本文采用Rigl VZ-6000型激光掃描儀獲取城市實(shí)景的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該設(shè)備利用數(shù)字化回波技術(shù)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，不僅能在6 km的距離上實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，還能分別完成橫向360°和縱向60°大范圍環(huán)境信息的捕捉。更為突出的是，VZ-6000型激光掃描儀具備在惡劣環(huán)境下的使用能力，無(wú)論是沙塵、霧天、雨天還是雪天，都能有效完成多重目標(biāo)回波識(shí)別，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性 。
采集城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，該設(shè)備可通過(guò)布設(shè)多個(gè)站點(diǎn)，從多個(gè)角度、距離捕獲城市實(shí)景數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)的冗余性和可靠性 [13] 。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整掃描參數(shù)和角度，確保不同站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)具有一定的重疊度，便于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拼接和融合時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。各站點(diǎn)在完成城市實(shí)景掃描任務(wù)后，利用全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS），采用RTK對(duì)其實(shí)際位置信息進(jìn)行量測(cè)。城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程為：
1）單站初步定位。根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)的實(shí)際位置量測(cè)值以及激光掃描儀的高度確定各站點(diǎn)的絕對(duì)位置。在后視定向過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整反北角，實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步定位。
2）多站點(diǎn)方向校正。為了使各個(gè)站點(diǎn)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，形成連續(xù)且一致的三維模型，需要在單站初步定位的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步執(zhí)行多站點(diǎn)方向的校正任務(wù)，以消除站點(diǎn)間的相對(duì)位置偏差或掃描角度的微小差異帶來(lái)的分層錯(cuò)位問(wèn)題。
為了確保不同站點(diǎn)采集的城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的緊密貼合，需要對(duì)其羅盤方向和Z軸轉(zhuǎn)向進(jìn)行優(yōu)化修正。在校正過(guò)程中，重要的是保持每個(gè)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的位置不變，僅調(diào)整方向角，通過(guò)計(jì)算搜尋半徑內(nèi)的匹配點(diǎn)，確定不同站點(diǎn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的偏差程度，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
在完成若干次迭代調(diào)整后，當(dāng)誤差滿足設(shè)定條件時(shí)，結(jié)束校正過(guò)程，表示多站點(diǎn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)成功對(duì)齊，點(diǎn)云分層錯(cuò)位問(wèn)題已經(jīng)解決；當(dāng)誤差始終高于設(shè)定條件時(shí)，表明數(shù)據(jù)之間仍存在較大的對(duì)齊誤差，可退回到第一步重新定位。
1.4傾斜攝影與三維激光掃描的多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合
傾斜攝影技術(shù)能夠從多個(gè)角度獲取城市實(shí)景影像數(shù)據(jù)，快速生成具有真實(shí)感的城市實(shí)景三維模型。然而，由于其飛行高度較高，容易被植被或房檐遮擋，導(dǎo)致部分地物紋理缺失，影響模型的精細(xì)度。而三維激光掃描技術(shù)可以通過(guò)地面掃描獲取被遮擋區(qū)域的詳細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而彌補(bǔ)傾斜攝影的不足 [14] 。將傾斜攝影提取的點(diǎn)云與三維激光掃描點(diǎn)云做融合處理，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的互補(bǔ)和優(yōu)化，從而更真實(shí)地反映城市實(shí)景的立面細(xì)節(jié)和紋理信息。
在將傾斜攝影提取的點(diǎn)云與三維激光掃描點(diǎn)云融合前，通過(guò)搭載傾斜攝影設(shè)備的無(wú)人機(jī)和三維激光掃描設(shè)備分別采集城市實(shí)景影像數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)尺度調(diào)整為1∶1，并統(tǒng)一保存為“.las”格式。完成標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對(duì)不同站點(diǎn)采集的城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及傾斜影像提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，待統(tǒng)一到目標(biāo)坐標(biāo)系后即可完成多點(diǎn)云的初步匹配，再引入旋轉(zhuǎn)角約束以及動(dòng)態(tài)迭代系數(shù)的迭代最近點(diǎn)算法對(duì)齊兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確配準(zhǔn)融合。
1.5多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的統(tǒng)一
統(tǒng)一坐標(biāo)系法通過(guò)變換坐標(biāo)將多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系下，從而實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及傾斜影像提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步匹配融合。通過(guò)PT定義城市實(shí)景激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，O-XYZ為其所在坐標(biāo)系，Pi(X,Y,Z)∈PT;PS為城市實(shí)景傾斜影像提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，O′-X′Y′Z′為其所在坐標(biāo)系，Pj(X′，Y′，Z′)∈PS。
通過(guò)采用間接平差法，依據(jù)最小二乘理論進(jìn)行參數(shù)估計(jì)后，即可完成多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)的初步匹配融合。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量龐大 [15] 。為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效處理，可通過(guò)平均采樣方式處理PT、PS，處理結(jié)果表示為P T、P S。本文在ICP算法中引入旋轉(zhuǎn)角約束，旨在防止點(diǎn)云配準(zhǔn)過(guò)程中出現(xiàn)不合理的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)配準(zhǔn)過(guò)程的迭代系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，可平衡配準(zhǔn)速度和精度之間的關(guān)系。
1.6城市實(shí)景三維建模
本文在Context Capture軟件中構(gòu)建城市實(shí)景三維模型，具體流程為：
1）核對(duì)采集的傾斜攝影影像數(shù)據(jù)是否存在損壞、數(shù)據(jù)不完整的問(wèn)題，驗(yàn)證影像尺寸、分辨率等是否符合預(yù)期，檢查傾斜攝影相機(jī)鏡頭，核實(shí)焦距參數(shù)等，確保其在后續(xù)使用中能夠得到準(zhǔn)確應(yīng)用。
2）選取明顯的特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，采取在傾斜影像上進(jìn)行手工刺點(diǎn)的方式標(biāo)記控制點(diǎn)的位置 [19] 。確定合適的刺點(diǎn)位置是關(guān)鍵，為避免出現(xiàn)刺點(diǎn)誤差，需確保航攝影像上的控制點(diǎn)清晰，不與周圍環(huán)境混淆，要使其位置在分辨率高、幾何畸變小的影像中心上。刺點(diǎn)結(jié)束后，利用航攝影像和控制點(diǎn)信息，完成空中三角測(cè)量，得到初始城市實(shí)景三維模型。
3）完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配處理后，將其與傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)一、精配準(zhǔn)處理后，完成多源點(diǎn)云融合，然后根據(jù)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維表面的三角網(wǎng)格表示，經(jīng)過(guò)對(duì)三角網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到最終的三角網(wǎng)格模型后，再利用自動(dòng)紋理映射技術(shù)對(duì)三維模型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的紋理貼圖，實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景三維重建 [20] 。
2 實(shí)驗(yàn)分析
以城市古建筑群為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用搭載4/3互補(bǔ)CMOS哈蘇相機(jī)和雙焦段長(zhǎng)焦相機(jī)的大疆無(wú)人機(jī)DJI Mavic 3 Pro執(zhí)行航攝任務(wù)，采集城市古建筑傾斜影像數(shù)據(jù)，通過(guò)型號(hào)為L(zhǎng)eica ScanStation P50的三維激光掃描儀對(duì)古建筑進(jìn)行掃描，獲取其激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將研究方法應(yīng)用到城市古建筑群三維重建中，通過(guò)對(duì)三維重建效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證其實(shí)用性。
應(yīng)用研究方法對(duì)圖2中的古建筑進(jìn)行三維重建，并將文獻(xiàn) [7]、文獻(xiàn) [10]的方法作為對(duì)比方法，通過(guò)對(duì)不同方法下古建筑的三維重建效果進(jìn)行差異分析，驗(yàn)證研究方法的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
分析圖3可知，相比其他兩種方法，研究方法在細(xì)節(jié)還原、形態(tài)保真、紋理映射等方面的效果更為出色，特別是在古建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和紋理特征方面，研究方法能夠更為精確地捕捉和呈現(xiàn)，使得重建后的古建筑更為真實(shí)、生動(dòng)。對(duì)比方法的古建筑三維重建效果均略遜于研究方法，其中，采用文獻(xiàn) [10]的方法重建后的古建筑三維模型在細(xì)節(jié)上出現(xiàn)了明顯的扭曲變形，這是由于該方法未能實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云與傾斜影像點(diǎn)云的精準(zhǔn)配準(zhǔn)與融合。采用文獻(xiàn) [7]的方法重建后的古建筑三維模型不完整，存在細(xì)節(jié)缺失的問(wèn)題，這是由于兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合時(shí)未能實(shí)現(xiàn)缺失區(qū)域的有效填補(bǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法在古建筑三維重建中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性。
為了評(píng)價(jià)多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合效果，本文在古建筑上選取10個(gè)特征點(diǎn)，將融合后的古建筑三維模型A與激光點(diǎn)云模型B進(jìn)行對(duì)比，不同特征點(diǎn)的點(diǎn)位誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示。
分析表1可知，在城市古建筑三維重建過(guò)程中，通過(guò)對(duì)比不同數(shù)據(jù)源在多個(gè)特征點(diǎn)上的坐標(biāo)值，發(fā)現(xiàn)融合后的三維模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在極小的點(diǎn)位誤差，誤差范圍在0.005～0.017 m，表明研究方法在保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性和準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)良好。個(gè)別特征點(diǎn)在部分坐標(biāo)方向上仍存在稍大誤差，可能是數(shù)據(jù)采集過(guò)程中受到環(huán)境因素的影響或設(shè)備精度不足導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究方法可在城市實(shí)景三維重建中取得較好的效果。
為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出方法的優(yōu)勢(shì)，評(píng)估了僅使用傾斜攝影或激光點(diǎn)云單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行古建筑群三維重建的效果。結(jié)果顯示，僅使用傾斜攝影雖能較好地重建古建筑群的外觀輪廓，但細(xì)節(jié)不足，特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和陰影區(qū)域，且缺乏深度信息，導(dǎo)致部分區(qū)域不夠真實(shí)。而僅使用激光點(diǎn)云雖能精確捕捉空間位置和形狀，但模型單調(diào)無(wú)紋理，且因遮擋導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。
融合技術(shù)在細(xì)節(jié)還原、形態(tài)保真、紋理映射及數(shù)據(jù)完整性上均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。它融合了傾斜攝影的豐富紋理與激光點(diǎn)云的精確空間信息，確保模型形態(tài)高度保真，避免扭曲變形，并提供了真實(shí)的紋理貼圖，同時(shí)解決了單一數(shù)據(jù)源因遮擋等問(wèn)題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不完整難題。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文將無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)展了城市實(shí)景三維重建研究，充分利用技術(shù)互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，生成既具有豐富紋理信息又具備高度幾何精度的城市實(shí)景三維模型，解決了單一數(shù)據(jù)源下三維模型重建效果不理想的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研究方法在城市實(shí)景三維重建上可取得突出效果；與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比，重建模型存在極小的點(diǎn)位誤差，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。
來(lái)源：測(cè)繪學(xué)術(shù)資訊
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