一种基于点云数据的三维建模方法研究

□ 常山县自然资源和规划局统一征地办公室 吴建岳

无人机倾斜摄影测量是利用多旋翼无人机到实地航拍影像，再经过软件自动化建模生成实景三维模型，因此具备很高的真实性，也能够测量更广阔的范围，但是容易缺失数据。三维激光扫描技术是采用非接触式高速激光测量方式，快速地获取测量对象表面几何特征的重要技术手段。三维激光扫描技术目前已经在文物保护、国土测绘、建筑BIM模型等许多方面取代了传统测绘，其数据的全面性及精细度，为许多行业领域研究发展提供了新的思路和方法。但是三维激光扫描技术存在着测量范围小的缺点。基于此，在本文的研究过程中，将综合运用两种测量技术获取空间数据，以此提高测区三维模型精度。

一、基于点云数据的三维建模方法

（一）无人机倾斜摄影

▲ 倾斜摄影流程图

通过在同一飞行平台上搭载5台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜、五个不同的角度采集影像，拍摄相片时，同时记录航高、航速、航向和旁向重叠、坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，同一地物最多能够在3张相片上被找到，这样内业人员可以比较轻松地进行建筑物结构分析，并且能选择最为清晰的一张照片进行纹理制作，向用户提供真实直观的实景信息。影像数据不仅能够真实地反映地物情况，而且还可通过先进的定位技术，嵌入地理信息、影像信息，获得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围。

（二）三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术是继GPS技术以来又一新突破的测绘技术，是以三维激光扫描仪为主体的现代化测绘技术，由内置数码相机、附属设备、后处理软件、电源等组成。三维激光扫描技术的工作原理可以表述为：激光二极管发射周期性的激光脉冲，由接收透镜接收目标表面的反射信号后形成相应的接收信号，利用发射与接收反射信号的时间差计算扫描仪的测距S，同时将扫描仪镜头在水平方向和垂直方向上的观测角度值标记为φ和θ，被测点极为P，则被测点的三维坐标为P（x，y，z）的计算公式为：

XP= Scosφcosθ

yP= Ssinφcosθ

（三）综合运用

通过多旋翼无人机获取航空影像，经匀光匀色、几何校正、同名点匹配、区域网联合平差，通过三维建模等关键技术制作测区三维倾斜测量模型数据，模型具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，可进行实时测量。使用三维激光扫描仪，将获取测区的高精度点云数据，拼接、滤波、多边形拟合、孔洞修补，分区域选择相片进行纹理映射，制作具有实时量测功能的真三维模型。然而，三维激光扫描技术存在对高密度植被无法穿越、受潮湿环境影响较大、数据处理对软硬件要求高等不足，且倾斜摄影产生的三维模型会产生空洞和失真，水面的三维模型存在大面积空洞和地物模型边缘平滑等缺陷。因此，针对任务及测区地形地物的特点，试验采用无人机倾斜摄影测量和地面三维激光扫描相结合的方式进行，从而克服两种数据采集技术的缺陷。

二、应用案例

（一）测区概况

该项目位于天目湖山水园。区域内有植被、水系、建筑物、道路、古迹等多种地物，地势陡峻，植被复杂。鉴于测区地形地貌的复杂性和特殊性，采用常规测量手段施测难度大，作业效率低，而无人机航空摄影测量与三维激光扫描技术能有效地解决常规地形测量的不足。该项目采用无人机对测区全范围进行航空摄影并航测成图，采用三维激光扫描技术修补测区空洞，对测区进行全野外数字化测图，同时也有利于对成图精度符合性进行检验。

（二）工作流程

1.仪器和软件

采用仪器包括：大疆无人机M600Pro（垂直起降固定翼无人机，飞行总重 24kg， 任务载荷 2kg， 巡航速度25m/s， 续航时间4h，抗风能7级）；成都睿铂RIYD2（可量测型航测相机，五相机镜头，有效像素1亿像素，画幅53.4mm×40mm）。采用软件包括： 无人机摄影测量数据自动处理系统Smart3D，三维激光扫描仪Riegl-R400 及配套软件RISCANPro。

2.数据采集过程

（1）无人机倾斜摄影

此次无人机倾斜摄影试验，共有6个像控点，采用像控坐标系为2000坐标系，高斯三度带，中央子午线120度，航摄时自动采集POS数据。

此次航测的航高为800米，航向重叠度为75%，旁向重叠度在50%，共获取了11185张像片。在内业空三加密前，对影像进行了畸变差校正，像控点以注记说明和点位略图为参照刺点，综合判定点位，对个别错点、疑点校核左右像对及上下航线同名目标，以判定其准确性。

（2）三维激光扫描

试验测站7个，每次测站用时8分50秒。三维激光扫描采集完毕后，利用RISCAN软件完成点云数据的数据集成。

（3）DEM与 DOM制作

使用smart3D软件，通过倾斜摄影过程中得到的POS数据和三维激光扫描测站得到的 RTK数据，采用ICP算法，合成倾斜摄影获得的DEM模型与三维激光扫描得到的DEM模型，得到更精细的 DEM 模型，而后通过贴纹理得到数字正射影像模型。

三、项目试验成果

点云是激光扫描和倾斜摄影测量成果的基本体现形式，记录着测量对象平面、高程及表面色系等信息，是实施后期建模、专业分析的基础数据。因此，三维点云数据的测量精度至关重要。为判别测量成果精度的准确性，本文引用 RTK 实测数据与 两类成果点云进行比较验证，两类点云数据在水平面上均具有良好的控制效果，误差基本在毫米级和厘米级，但无人机倾斜摄影在高陡地形上的高程精度控制明显要弱于地面三维激光扫描，误差达到米级。为弥补点云之间局部偏差问题，宜以三维激光点云为基准，将倾斜摄影点云进行配准拟合，实现点云数据的融合。

四、结语

本文通过综合运用倾斜摄影与三维激光扫描技术两种手段，提出了一种在复杂地形条件下的高精度方法。三维激光扫描点云数据在精度控制上要优于无人机摄影测量，以激光点云为基准，采用基于特征点的 ICP 配准算法可有效融合两类不同的点云数据，从而高效率构建高精度、高分辨率的三维点云模型，由此克服地形地物的限制与遮挡，实现对复杂地面信息的无死角数据采集，提高了作业效率，此外还减少了 3dmax人工修补空洞的工作。采用 RTK 与 POS数据统一激光扫描和倾斜摄影的控制点坐标系，可保障 两类测量成果坐标统一，便于利用 ICP配准算法实现两类不同测量成果的数据级匹配。