移动测量在超精细三维场景制作中的应用研究

杨铭

(上海市测绘院，上海 200063)

移动测量在超精细三维场景制作中的应用研究

杨铭*

(上海市测绘院，上海 200063)

近年来，随着城市信息化建设的不断深入，超精细三维场景的应用越来越广泛。本文首先从需求出发，分析了超精细三维场景在城市信息化建设中的重要性；然后针对传统作业方法的不足，重点研究了包括无人机倾斜摄影测量、移动扫描测量、动态纹理采集、手持三维扫描测量在内的多种新型移动测量技术在超精细三维场景制作中的应用情况。

超精细三维场景；无人机倾斜摄影测量；移动扫描测量；动态纹理采集；手持三维扫描测量

1 引 言

随着社会的不断发展、科技的不断进步，城市的信息化已经成为必然的趋势。近年来智慧城市概念的提出，正是这种趋势的体现。构建智慧城市已逐渐成为城市信息化建设的目标。三维场景模型能够真实、生动地表达三维空间信息，因此成为构建智慧城市的研究重点。根据制作的精细程度，三维场景模型可分为标准模型、精细模型和超精细模型三类。其中超精细三维场景不仅涵盖十分精细的建筑模型和地面模型，还加入了种类丰富齐全的树木、小品等要素，特别适合重点区域的浏览展示、虚拟现实、规划管理、档案保存等应用。

传统的三维场景模型一般是通过地形图或者竣工资料获得建筑、道路的平面、高程信息，然后用全站仪结合钢卷尺获得细部结构的位置数据。此类工作模式虽然能得到最终的模型成果，但存在劳动强度大、作业效率低、建模精度差、表达效果不佳等问题。当遇到表面结构复杂的对象时，这些问题显得有尤为突出。

近年来，多种新兴移动测量技术发展迅速，相比于传统方法，其在保证成果质量的基础上，作业效率显著提升。因此，本文重点研究包括无人机倾斜摄影测量、移动扫描测量、动态纹理采集、手持三维扫描测量在内的多种新型移动测量技术，并通过具体案例，探索其在超精细三维场景制作中的应用情况。

2 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量使用低空无人机加多镜头倾斜相机进行影像数据的采集，然后利用自动建模技术，生成三维实景模型数据。

2.1低空无人机

目前，实施倾斜摄影测量的飞行平台主要分为有人机与无人机，其中无人机具有机动、灵活、快速、经济等特点，以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大地扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。

低空无人机系统主要包括飞行器、地面站、数据链路和飞行员。其中，地面站负责航线规划、飞机设置，数据链路负责地面站与无人机之间的通信，飞行员由无人机驾驶员、地面站操作人员和辅助人员组成。

根据平台构型的不同，可分为固定翼无人机和旋翼无人机。其中，固定翼飞机飞行速度快，作业效率高；旋翼无人机，其便于控制，平台稳定性好。对于城市区域的大场景三维模型，为保证飞行安全，一般以旋翼无人机为数据采集平台。

2.2倾斜摄影测量

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新的移动测量技术，改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性。其使用多台传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，通过多视影像联合平差、多视影像密集匹配、数字表面模型生成和真正射影像纠正等关键技术，真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求。目前，倾斜摄影测量技术已经应用于大场景三维模型采集制作的生产实践中。

其技术特点主要体现在以下四方面：

(1)成果具有照片级的表达效果，能反映真实情况；

(2)含有坐标信息，可量测；

(3)能生成多种数据成果，性价比高；

(4)数据采集与处理的效率高。

2.3数据处理

数据处理是无人机低空倾斜摄影测量的核心工作，它包括影像的预处理、相机高精度检测、影像匹配、自动空中三角测量、DSM/DEM的自动提取、DOM的生成与无缝拼接等技术。

目前使用较多的商业软件有Bentley公司的ContextCapture软件，其基本作业流程如图1所示：

图1 ContextCapture软件基本作业流程

2.4成果展示

无人机倾斜摄影测量的成果形式为大场景三维实景模型数据，其由大量的三角面构成，并附有真实的纹理信息，能逼真还原现场实际情况，如图2、图3所示。

图2 上海老城厢福佑路地块实景三维模型数据

图3 上海迪士尼乐园实景三维模型数据

3 移动扫描测量

移动扫描测量设备作为目前测绘地理信息行业顶尖的数据采集设备，集多种采集手段为一体，可为超精细三维场景构建提供准确丰富的点云数据和全景影像数据。与固定测站扫描相比，移动扫描测量最大的优势是可实现点云数据全自动拼接，数据处理效率高。根据定位原理不同，可分为基于卫星导航和基于SLAM技术两种移动扫描测量设备。

3.1基于卫星导航的移动扫描测量

此类移动扫描测量系统将全球导航卫星系统、立体摄影测量系统、惯性导航系统、激光扫描系统、数字视频系统、属性采集和语音输入等先进的传感器和设备集成在同一平台上，可在快速移动过程中，实时采集周边地物的地理空间位置及属性信息。

移动扫描测量技术具有速度快、信息丰富、精度高、非接触式的特点，所获得的点云和影像数据具有广泛的应用性，如图4所示。

图4 基于卫星导航定位的移动扫描测量系统(青岛秀山)及其工作原理

基于卫星导航的移动扫描测量技术可用于室外开阔区域的360°三维街景采集与精细模型制作。在上海国际旅游度假区项目中，该技术成功应用于超精细地面制作，高程精度普遍优于 10 cm，重点区域优于 5 cm。

3.2基于SLAM技术的移动扫描测量

基于卫星导航的移动扫描测量系统虽然精度较高，但需要获取连续稳定的GNSS信号。当周边遮挡严重，GNSS信号接收存在困难时，此类设备的精度会明显下降，甚至无法采集数据。此时，可以使用SLAM(同步定位与制图)技术进行定位和姿态估计。

利用SLAM技术进行定位的移动扫描测量系统是在移动过程中利用定位激光扫描仪获取点云，借助编码器采集里程信息，以便于在后续的数据融合过程中使用SLAM算法解算高精度的轨迹。其中，每个轨迹点包含采集的具体时间、全局坐标系下的位置及姿态信息，然后根据载体与激光扫描仪、全景相机之间的空间关系解算出在全局坐标系下激光点云坐标及拍照时刻的位置和关系，从而完成空间三维实景信息的获取。

目前，在算法上，SLAM分为2D SLAM和3D SLAM两种类型。其中2D SLAM无法适应高度上的快速变化，需要工作场景处在一个相对平整的环境下，一般以手推车为载体；而基于3D SLAM的测量设备可以在数据采集过程中根据需要上上下下的移动，并且通常设计成背包样式，人员能经过的地方都能进行数据采集，对工作环境要求低，适应性强，如图5所示：

图5 基于SLAM技术的背包型移动测量系统(欧思徕智能)

这是一款基于SLAM技术的背包式移动三维激光扫描系统。该设备配有全景相机，两个激光雷达，其中水平激光雷达用于定位，倾斜激光雷达用于采集数据，外业时可在平板电脑上实时看到数据采集的情况。

这种背包式扫描仪不需要卫星信号，数据采集方便，特别适合于卫星信号较弱区域(如室内或狭窄里弄)的全景数据采集与精细建模，已成功应用于上海老城厢地区历史风貌保护项目。

3.3成果展示

图6 上海国际旅游度假区超精细地面模型数据

图7 上海老城厢方浜路三维场景模型数据

4 动态纹理采集

按照目前常规的模型制作方式，要想使三维场景真实、生动的反映现实世界，必须采集高质量的纹理数据(分辨率高、色彩还原性好)。传统的纹理采集方式主要以相机拍照为主。当遇到高复杂度、高遮盖度地区(如上海迪士尼乐园)时，传统方法存在诸多问题。对此，本文从实际生产项目出发，提出了一种利用运动云台相机进行动态纹理采集工作模型。如图8所示是两种作业方式的优劣对比情况：

图8 两种纹理采集方式的优劣对比情况

运动云台相机不同于普通相机，其具有较高的稳定性和帧速率，既能保证采集的纹理清晰不模糊，又能保证外业采集的效率。下图是一款运动云台相机，其由高清运动相机，无刷电机云台，操作手柄和移动设备支架组成。其运动相机最高可以采集分辨率达到4K的超清晰影像。运动云台相机与Z轴稳定器配合使用就能实现三轴增稳，确保纹理采集稳定、清晰、无抖动，如图9所示。

图9 运动云台相机(大疆)

通过大量的对比试验，并结合在上海迪士尼、老城厢等项目中的实际应用情况，可以得出以下结论——相比于传统静态纹理采集方法，对于复杂区域的连续、超精细纹理采集，基于运动云台相机的动态纹理采集方法有十分明显的优势。

5 手持三维扫描测量

前面介绍的移动测量技术虽然都十分方便快捷，但在建模精度上还有一定的局限性(基本都处于厘米级)，对于表面结构超级复杂的雕塑、浮雕、建筑装饰等对象，可以使用先进的手持式三维扫描系统对细部结构的位置尺寸和纹理信息进行准确采集。

手持式三维扫描系统主要包括信息输入、数据采集和数据处理输出设备。信息输入主要由白光(或激光)扫描系统、两个(或多个)CCD摄像机及照明设备组成。利用两个摄像机的图像平面，和被测物体之间构成三角形，根据前方交会定点原理进行测量。已知两摄像机之间的位置关系，即可测量两摄像机公共视场内物体空间特征点的三维坐标。

手持式三维扫描系统与常规测量设备相比，精度较高，普遍优于 1 mm，完全满足一般测绘领域的精度需求。

图10 手持式三维扫描系统(CREAFORM形创)

图10是一款具有彩色扫描功能的手持式三维扫描系统，其具有以下技术优势：

(1)测量速度快：一般物体将在 5 min或更短时间内完成扫描；

(2)专业级测量：高达 0.1 mm的精度以及 0.5 mm的分辨率；

(3)混合定位：使用部件的几何形状及颜色；

(4)用户友好：无须专业经验，几分钟内即可启动并运行；

(5)彩色扫描：允许严密地同步捕获高品质几何形状和颜色；

(6)实时可视化：可以在计算机屏幕上看到自己正在执行的操作以及还需要执行哪些操作。

目前，该技术已成功应用于上海老城厢地区历史风貌保护项目，图11是部分成果展示：

图11 上海豫园城隍庙石狮子超精细建模效果

6 结 语

城市的发展越来越快，测绘科技同样日新月异。本文首先从需求出发，分析了超精细三维场景在城市信息化建设中的重要性；然后针对传统作业方法的不足，重点介绍了多种新兴移动测量技术在超精细三维场景制作中的应用情况。随着城市信息化建设的不断推进，各方对超精细三维场景的需求必然会越来越大，要求也会越来越高。在今后的工作中应当整合多方面的技术和资源，实现三个“一体化”。

首先是室内外一体化建模。目前，大多数的建模都是针对建筑外表面的，应该通过移动激光扫描等技术手段实现室内外数据在同一空间参考下的一体化采集与建模。其次是建筑对象化建模。应借鉴BIM理念，将重要的建筑结构对象化、模块化，可用于重要历史建筑的精细档案管理。最后是空地一体化建模。将无人机倾斜摄影测量与地面三维激光扫描相结合，实现空地一体化实景三维模型的快速构建。

在超精细三维场景制作中，目前能使用的技术手段有很多，将来肯定会越来越多。如何将这些技术手段有机结合，在满足精度要求的情况下，进一步提升效率，并拓展模型数据的应用领域，是需要进一步研究的内容。

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ResearchontheApplicationofMobileMappinginHyperfine3DSceneBuilding

Yang Ming

(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping，Shanghai 200063，China)

With the development of urban informatization construction in recent years，the Application of hyperfine 3D scene is more and more extensive. From the requirement，this paper analyzes the importance of hyperfine 3D scene in urban information construction. Then in view of the shortcomings of the traditional method，this paper focuses on the application of various new mobile mapping technologies in the building of hyperfine 3D scene，such as unmanned aerial vehicle oblique photography，mobile scanning and surveying，dynamic texture acquisition，handheld 3D scanning and surveying.

hyperfine 3D scene；unmanned aerial vehicle oblique photography；mobile scanning and surveying；dynamic texture acquisition；handheld 3D scanning and surveying

1672-8262(2017)05-53-05

P23

B

2017—08—09

杨铭(1987—)，男，硕士，工程师，注册测绘师，主要研究三维空间数据的采集与制作。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文三等奖。