三维激光扫描与倾斜摄影技术在数字园林建设中的应用

姜 华，邹亦林

（温州市建筑废土处置有限公司，浙江 温州 325000）

0 引言

三维激光扫描技术由于具有非接触性、快速性、主动性、实时获取等优势，越来越广泛地应用在数字园林建设工作中。倾斜无人机摄影测量平台获取多视影像数据具有成本低、时效性强、灵活性高、影像分辨率高等特点，相关学者将倾斜无人机摄影测量技术应用在数字园林建设领域，并取得一定的研究成果。伴随着时代的发展，人民思想意识的进步，生态文明建设已然成为当前社会发展与人民生活改善的主要目标之一。园林工程建设是当前城市生态文明建设的重要组成部分，可以切实满足人们日益增长的物质文化需求。因此，需要有关管理人员在实际的园林工程建设中充分的应用好智慧园林技术，以此来不断提升当前园林工程建设的水平与效率，进而有效的促进国生态文明建设的繁荣发展。

1 三维激光扫描技术

3D 激光扫描是近年来为解决许多传统测量技术的技术难题而采用的一种广泛的新测量技术。该方法采用高速非接触激光采集方法，将激光束发送和接收到被测物体返回的被测物体，从而获得被测物体的空间坐标信息。三维激光扫描仪的结果是大量空间坐标，称为点云，其中点云数据是对测量对象表面的描述，是三维空间中数据点的集合，由目标对象表面上的一系列空间采样点组成，这些点具有高数据量、高密度、光度学和曲面纹理，可为每个桩号连接和检索点云数据[1]。

SLA 激光扫描系统主要由激光扫描仪（激光扫描仪）、惯性测量系统（惯性释放单元IMU）和SLM 算法（并发操作映射）3 个部分组成。由激光产生并发射的光束脉冲，反射在物体上，最终由光计接收器接收。接收器精确测量光脉冲从发射返回反射的传输时间。因为光脉冲是以光速传输的，所以接收器总是在触发下一次脉冲之前接收上一次反射的脉冲。因为光速是已知的，所以传输时间可以转换成距离测量，这样结合激光高度和激光扫描仪角度，可以精确计算空间中每个点的x、y 和z 坐标。惯性测量单元是测量空间坐标轴角度（或角速度）和主体加速度的机制。IMU 由三轴加速度计和三轴剂量螺钉组成，用于检测主体在梁坐标系的独立轴上的加速度信号。Touthering 检查测量主体相对于导航坐标系的角速度，测量主体在三维空间中的速度和加速度，从而计算对导航至关重要的姿势[2]。SLA算法是三个领域中最重要的，好的和坏的SLA 算法决定了计算轨迹的精度，轨迹的精度决定了空间场景中3D 数据的精度。SLAM 算法基于激光测距仪器采集的三维数据的时间线的共同特征特征，以及IMU 采集的姿态数据的逆方向连续生成空间场景数据，根据当前环境中的数据实时计算出从起点移动的距离和角度信息。

2 倾斜摄影技术

倾斜摄影是一种新型的摄影测量，它将计算机视觉化中的多视点三维重建与摄影测量相结合，以便在数据采集后对场景进行三维真实建模。雪摄影机是自动控制摄影机和倾斜摄影机的组合，结合了快速灵活应用无人机的优点。这使得在收集倾斜相机数据时收集数据变得更加智能和高效。在数据采集过程中，从不同角度捕获图像，从而超出了直角图像只能从垂直方向捕获的范围。这扩大了探测范围，允许从地面的多个角度收集数据。然后，可以使用计算机上的三维建模技术快速创建具有精确地理位置信息的三维空间模型，精确地在目标区域中重新创建详细的地形和建筑特性，提高建模效率和质量，并将模型精度提高到毫米。摄影机倾斜相机收集的数据包括POS 数据和HD 照片，其中POS 数据主要收集飞行控制系统拍摄照片时产生的空中交通期间的经度和纬度、高度、飞行方向、飞行位置等。相机倾斜3D 塑型是一种以影像为基础的塑型，其中以影像为基础的塑型的主要目的是从2D 影像还原场景的3D 几何图形[3]。由于图像本身包含大量场景信息，因此很容易从图像中获取真实场景的三维模型。以上过程可以概述如何从倾斜图像生成三维点云数据，例如，通过点云数据三角剖分、创建“白色模型”和“白色模型”纹理映射创建所需的3D 模型。基于图像的建模方法与传统建模程序或三维扫描仪相比，提供了多种应用程序要求，因为它们更经济、更逼真和自动化。

3 数字园林建设

3.1 智慧园林的3 种智慧形式

（1）人类与现代科技的智慧。在工程技术人员进行设计工作时。技术人员可以借助大数据技术对当前的工程建设条件以及资源进行分析，并利用3S 技术对园林工程建设场地进行准确的测绘，使用BIM 建模技术对其园林工程建设施工进行建模。之后按照既得的数据展开分析，由设计人员编制出符合逻辑的园林工程建设方案，并由智能设备对其进行预设模型。将所的数据信息传输至网络平台，以此来完成智慧园林的工程建设方案设计。

（2）人类与环境的智慧。工程建设人员要对园林时间、空间等元素进行分析，并对其科学合理的利用，以此来创造出具有生态可持续性的园林景观。人类具有智慧，周围的环境同样具有智慧，环境中的植物可以有效的感知外界的变化，并立刻采取相应的行动，而人与环境进行相互的感知，便可以借助各自的智慧来真正的实现生态的平衡。

（3）现代科技与环境的智慧。当前的园林工程建设强调人与自然和谐共存。若是按照传统的园林工程建设方案，可能需要很长的时间才可以完成这一目标。但是现代科技技术则可以有效的缩短其完成的周期，技术人员通过对环境中的各元素的感知，从而创造出仿真的自然环境[4]。智慧园林通过上述3 种类型的智慧形式，逐渐将较为抽象的“智慧”转变成为具象化的“智慧”，将其充分的应用在当前的园林工程建设中，不仅能够充分的提升园林工程建设的质量与效率，还可以使得园林工程建设更具可持续性以及生态性，切实符合当前生态文明建设的基本要求。

3.2 园林绿化数字孪生应用研究的现状

传统园林绿化工程多依赖人工管理方式，在建设和管理阶段的数字化水平并不高，数字孪生技术在国内园林绿化行业的应用实践仍处于初期。学者对园林绿化数字化管理的研究应用主要集中在以下方面：城市园林绿化数据辅助政府科学决策、园林绿化建设管理过程数字、古树名木管理数字化、现场监督管理电子化等。上述研究几乎均未谈及园林绿化数字化的前提：用于三维可视化的三维图形渲染引擎技术，尤其是在面对大型园林绿化项目时，若要对园林绿化的各个构成要素进行三维可视化，图形引擎技术将成为大制约因素。

4 数字园林建设中三维激光扫描与倾斜摄影技术的应用方法

4.1 三维激光点云辅助市政道路绿化数据采集

市政道路绿化数据采集主要利用车载移动测量系统。该系统集成了激光扫描单元、GNSS 定位单元、惯性测量单元定姿单位，同步控制单元及高清数码相机等单元，可以快速获取市政道路两侧绿化点云数据及高清全景影像数据，从而极大提高市政道路绿化调查工作的效率和精度。车载移动测量系统获取的点云数据可以准确得到市政道路分车绿化带、人行绿化带、人行步道、附属绿化带、行道树的绿化面积；通过专业配套软件实现点云和全景影像联动测图功能，通过点云全景联动可以辅助判别市政道路绿化树木的树种和类型[5]。为进一步保证数据的完整性和准确性，本文利用手持三维激光扫描对车辆无法通行和植被密集区域进行补充采集，并与其他平台的采集数据进行互补处理；通过LIDAR360 处理软件自动提取市政道路绿化树木位置坐标、树高及胸径信息。相对于传统采集方式，三维激光点云辅助市政道路绿化采集方式提高了作业安全性，极大减少了人力和物力，降低了采集错误率。

4.2 全要素地形图生产

首先，预先处理点云资料，如噪波、地球点分类、归一化等。曲面点分类使用改进的、渐进的、加密的三角网过滤算法进行标准化，以消除点云数据高程值对地面的影响。其次，将从木材中分割标准点云数据并提取胸腔。设置收敛阈值、最小收敛点数、乳腺直径范围、地面点上方的高度等参数。固定以获取有关树坐标、树高、乳腺直径等信息。由于环境复杂，树排列不规则，在进行手动检查之前，方法为70%～90%。将树信息作为整个对象地图的一部分重新导入EPS（3D 绘图程序）软件中。

4.3 倾斜摄影

根据项目作业要求，收集测区资料，必要时进行野外踏勘。通过对测区的踏勘，现场勘察测区地物，查看地形起伏、路况、建筑，了解测区内建筑物最大高度，以便作业单位规划航线，制定飞行案，保证飞行安全。同时确认并标记测区内机场、信号塔、高压线等禁飞区或影响飞行安全的建筑位置，以确认作业区域起降场地[6]。根据现场踏勘的情况进行无人机飞行航线设计，并选择适宜的飞行时间进行航飞。航飞结束后，对航飞成果进行飞行和影像质量检查。经检查，每个架次航线均较为平直，平进平出，未出现较大扭曲。航高平稳，航向重叠和旁向重叠均不低于70%，航飞时在测区边界以及相邻航摄分区间进行适当的外扩，满足测区边界覆盖。

4.4 数据处理

数据处理主要分为数据预处理、数据空三加密、生产DEM 和DOM 3 个部分。

（1）数据预处理。数据预处理主要是检查外业航拍影像是否清晰，航拍是否有缺漏，影像成图质量是否符合要求，核查影像数据和POS 数据是否一致，并将POS数据转换成CGCS2000 坐标系。

（2）数据空三加密。空三加密采用Metashape 软件，该软件空三计算能力优秀，影像畸变纠正能力比强。将倾斜影像、POS 数据、像控点、相机参数等分别导入Metashape 进行空三加密。空三加密具体流程为：首先将倾斜影像进行连接点自动匹配，对获取的特征点采用图像特征匹配及跟踪技术寻找和匹配不同像片间公共点，构建自由网，导入控制点后进行人工刺点，再进行光束法区域网平差，检查控制点精度，调整控制点后再平差至空三结果满足精度要求。

（3）生产DEM、DOM。空三加密满足精度要求后，可以导入空三成果进行DEM、DOM 的生产[7]。

4.5 数字园林管理系统建设

本文采用前后端分离设计，构建具有绿化信息查询、绿化养护巡检管理、公园信息查询管理、古树名木管理、病虫害防治、道路绿化工程管理、应急管理和系统管理等功能的数字园林管理系统。解决当前数据现势性、应用广泛性、管理动态性、内容详细性等一系列问题，实现城市园林的数字化和可视化管理，提高各类养护工作的效率，为园林管理部门提供辅助决策。

5 结语

将三维地面激光扫描技术与倾斜摄影技术应用在数字园林建设中有以下优势：首先，非接触性测量不但能够保证测量人员的安全，也保护了数字园林建设不被损坏；其次，数据获取速度快、测量工作效率高；再次，测量工作可以不受时空约束而实现全天候作业；最后，数据成果除了传统的测绘图之外还有点云数据，并能长期保存和三维展示，方便查阅和研究。将三维地面激光扫描技术与倾斜摄影技术充分的应用于园林工程建设，不仅是时代发展的需求，同时也是园林工程建设发展的必由之路。智慧园林中的诸多先进技术，都可以为当前的园林工程建设带来极大的便利，从而在一定程度上可以真正的实现园林工程建设工作的社会效益与经济效益的双向统一，进而全面促进我国生态文明建设的繁荣发展。