影像建模和激光扫描技术融合在溶洞建模的研究与实践

，，，

(桂林电子科技大学 建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004)

1 研究背景

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果，中国是个多溶洞的国家，尤以广西境内的溶洞著称，如桂林的七星岩、芦笛岩等。且大多数溶洞内外都存在珍贵的历史文化石刻、雕像，具有较高的观赏价值和科研价值，将溶洞进行建模和测量对溶洞日后的管理、规划、宣传和保护都具有必要性。

近些年，随着三维激光扫描技术迅速发展，该技术在三维模型重建领域已经得到广泛应用。它能够快速、非接触地对物体进行高密度、高精度的扫描并获取物体的三维点云数据，国内已初步有利用三维激光对溶洞进行探测的研究[1-2]。而基于影像的建模技术是根据所拍摄的物体多视角影像，通过大量的影像匹配计算获取被摄物体表面带有空间信息和色彩信息的点云数据，重建成三维数字模型，是一种对物体进行快速逆向高精度建模的技术[3-4]。在溶洞的建模和测量中，三维激光扫描技术虽然能够快速获取溶洞整体的点云数据，但由于激光点云精度的局限，远远未能达到对于溶洞内石刻和雕塑的扫描要求。本文将结合近期在桂林玄武岩溶洞所作试验，研究影像建模和激光扫描2种三维模型重建技术在溶洞建模和测量中的融合应用。

2 基于三维激光扫描的建模技术

2.1 三维激光扫描仪的工作原理

S

α

β

X

Y

X

Z

[5]

由此可得到激光脚点坐标的计算公式，即

(1)

2.2 技术流程

用三维激光扫描技术对溶洞进行扫描步骤包括现场勘察、外业数据采集、内业数据处理。图2为用三维激光扫描技术扫描溶洞的技术流程。

图2 三维激光扫描技术流程Fig.2 Technical flowchart of 3D laser scanning

2.3 现场勘察

三维激光扫描的速度较快且点云密度大，在溶洞中进行扫描时在保证点云完整性的情况下应注意尽量减少重复扫描范围。整个扫描工作包括洞体内部和洞口外部2部分，需要先进行现场踏勘，确定最佳扫描路线；考虑洞体深度、倾斜度、宽窄度、洞内的工作环境以及测站之间控制标靶(用来拼接每站扫描点云)的可见度，初步设置好测站数目和位置，确定每一站的扫描范围和标靶布设。

本文试验目标玄武岩溶洞位于广西桂林七星公园内，东西贯通，全长80余米，宽2～14 m，高3～8 m。内有石刻8处，雕像9处，共分7站扫描目标溶洞。

2.4 外业数据采集

在选定的测站上架设扫描仪，仪器采用Leica Scanstation C10三维激光扫描仪、3英寸控制标靶及配套的处理软件Cyclone 9.1。该仪器技术指标为：扫描速度最大50 000点/s，测程0.1～300 m，视场角垂直270°、水平360°，距离精度可达±2 mm/(50 m)，对于高度20 m以内的溶洞完全满足整体建模要求。

为了保证溶洞点云数据的完整性，在溶洞内外设置S1—S7共7个测站，相邻测站间在共同的扫描范围内均匀布设3个及以上的控制标靶，标靶应注意不设在同一直线上，通过控制标靶基本上可以完成所有测站点云数据的配准与拼接。仪器整平后，作业人员应避免挪动仪器，扫描过程由仪器内置软件进行驱动，采用无线操控设备设置好参数后自动进行扫描。

2.5 内业数据处理

三维激光扫描系统获取的点云数据量大且无序，将其进行数据处理，即利用Cyclone软件完成点云的配准和拼接、去噪、采样、封装、纹理映射工作[6]。数据的配准是将数据采集时布设的控制标靶，通过计算转换参数将不同测站、不同视角下的点云数据以最小误差统一到同一坐标系下，拼接成一个整体；数据的去噪是将点云中明显的异常点和体外孤点直接删除，如在景区的溶洞中由于人员走动、潮湿积水产生的噪点，对难区分的噪点采用曲率滤波法，根据溶洞点云数据曲率变化取舍；数据的采样是基于点云的多边形特点，在不影响点云精度情况下的数据优化；数据的封装是根据点云数据和物体形状封装成三角形网格,建立与溶洞相应的实体模型；纹理映射是将扫描仪同步采集的影像颜色赋给模型， 获得具有空间属性(x/y/z坐标)和照片像素对应的颜色属性(红/绿/蓝，RGB值)的溶洞三维模型，完成对溶洞的模型化。图3为采集的点云图和封装后的网格模型。

图3 三维激光扫描的溶洞点云数据和三维网格模型Fig.3 Point cloud data and 3D model of Karst cave by 3D laser scanning

3 基于影像的建模技术

3.1 影像建模技术概述

基于影像的建模技术的依据是立体视觉原理，同一场景的若干幅图像之间往往存在着一定的约束关系。极线几何指出了在2幅或多幅图像上对应特征点之间存在的极线约束关系,这类约束关系可以通过相机定标甚至仅仅通过一系列对应特征点得到，使得特征点匹配只需在点的对应极线上进行，进而可利用影像中对应特征点重建出场景的三维结构[7-8]。

欧特克公司于2016年5月发布了利用数字影像创建三维模型的软件Remake。其主要功能是将一系列影像转化为高分辨率的三维网格模型，且利用其提供的智能工具箱对模型进行清理、修复和优化。随着该技术的日趋成熟和高分辨率数码相机精度的不断提高，使量测的精度日益提高，且与传统的利用建模软件或三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于该软件进行影像建模的方法成本低廉，真实感强，具有广泛的应用前景。

3.2 技术流程

基于影像建模的技术流程包括实地勘察、数据采集、数据处理、三维重建，具体如图4所示。

图4 影像建模技术流程Fig.4 Technical flowchart of image-based modeling

3.3 数据采集

为保证重建模型的精度，采用专业级的尼康D800E数字单反相机，对试验所选溶洞内的雕像和石刻部分进行多角度拍摄。影像的拍摄是后期实现三维数字化重建的基础和关键，每次拍摄的位置、光的条件、被摄物体表面的反射及相机传感器的参数，直接影响采集到的影像质量，因此在溶洞中拍摄需注意：①相邻影像要保证有较大程度的重叠；②在溶洞中光线不足，必须通过人工持续光源对拍摄环境提高亮度，且光源必须是稳定的漫射光，避免在表面产生光斑；③相机的光圈和快门参数应保持恒定，拍摄时注意将被摄物体置于影像中心以减小透视畸变；④为防止拍摄时镜头抖动应使用三脚架和快门线进行拍摄。

图5 带纹理信息的三维模型Fig.5 Three-dimensional model with texture information

3.4 数据处理与三维重建

将外业拍摄的影像筛去对焦模糊的不合格影像，调整曝光不准确的影像，将整理后的影像导入Autodesk Remake软件，设置模型参数，进行自动化影像匹配和影像处理。在本次试验中，对溶洞其中的1处石刻从下往上依次进行3组180°的拍摄，筛选后各有127张数字影像用于重构建模。

由软件导出的文件为带有纹理的网格模型如图5。将导出的模型通过软件编辑模式进行修整：先仔细检查模型的完整度，记录下缺漏或不清晰的位置进行局部补充拍摄，若局部拍摄不能消除该缺陷，为保证模型的精确性，应全部重新拍摄；再通过编辑工具去除目标之外的其他物体，裁切出所需逆向的石刻或雕像部分；最后通过标识点等比例缩放到实际尺寸后进行保存。

4 融合匹配与误差分析

在溶洞的建模和测量中，三维激光扫描技术虽能够快速获取溶洞整体的三维点云数据，但未能达到对于溶洞内石刻和雕塑的扫描要求。对于精度要求较高，目前普遍采用光栅式结构光三维扫描。基于影像的建模技术在试验中与光栅式结构光三维扫描进行比较，试验组中采用EaScan-Q结构光三维扫描仪，其技术指标为点距0.08～0.31 mm，精度为0.02～0.05 mm，远超出模型精度要求，在对比时作为真值。通过对2组模型同名点进行采样对比，由表1测量数据分析得到误差均值为0.79 mm,点位的中误差为0.47 mm，在单点及整体精度上都达到了较高的水准，完全可以满足溶洞内石刻与雕像的数字化重建要求。但由于影像的建模技术相对激光扫描数据采集的速度较慢，对光照要求高，不适合溶洞内大尺寸空间建模，因此本研究将影像建模和三维激光扫描技术进行融合。

表1 2组模型精度对比Table 1 Comparison of model accuracy

在影像建模和三维激光各自的模型中，扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同模型的相对位置关系则取决于他们是否处于同一个坐标系下。坐标匹配是在扫描区域中设置控制点或控制标靶，从而使得将进行拼接的模型上有3个以上的同名控制点或控制标靶，通过控制点的强制符合,可以将模型统一到同一个坐标系下。假设P点落在2个模型各自的空间坐标系O-XYZ(基准坐标系)和o-xyz(转换坐标系)分别为(X,Y,Z)和(x,y,z)，则需要进行解算的参数有：旋转矩阵9个方向余弦，3个平移参量，1个尺度因子共13个参数[9]。坐标配准中来自2个模型的同名点P满足坐标变换(R,m,T),公式为

(2)

式中:R为旋转矩阵和正交矩阵；m为尺度参数；T为平移矩阵；(x0,y0,z0)为o-xyz坐标原点相对于O-XYZ坐标原点的平移。

由于R矩阵具有旋转矩阵性质，可列出条件方程6个，通过至少3个标识点可以得到条件方程至少9个，利用间接平差法按最小二乘原理求得13个未知参数。

表2 接缝偏差统计Table 2 Statistics of joint deviation

由表2分析可知2组模型平均偏差为±0.75 mm，81.2%的偏差<1 mm，96.8%的偏差<1.5 mm，小偏差范围分布面积大，说明模型的拟合精度高。同时在三维激光扫描远远满足溶洞整体精度下，拟合精度高能够使影像建模部分的模型精度控制在三维激光精度偏差的范围内，从而保证了溶洞模型的整体精度。

图6 模型融合示意图Fig.6 Model fusion

5 结 论

本文主要通过三维激光扫描仪对溶洞整体形状进行多站点云采集，影像建模技术对溶洞内精细石刻与雕像进行建模处理，研究将2种方法采集的溶洞模型通过标识点进行配准和融合处理的方法。

实践证明本文所提方法的可行性，满足溶洞建模中不同精度的要求。通过将三维激光扫描技术和影像建模技术融合贯通，优势互补从而高效率获取高精度的测绘数据，为溶洞测绘数据的采集方式和成果表现形式带来了新的变革，在溶洞日后的管理、规划和保护中具有一定的指导和应用价值。而下一步应该研究的是如何更有效率地对模型进行优化处理以及溶洞三维模型的有效利用。