郑志安1
1. 广西壮族自治区地理信息测绘院，广西 柳州，545006
摘 要：利用背包式移动三维激光扫描快速、高精度、无固定测站、使用简单的特性，对建构筑物内外部全方位数据采集，融合已有倾斜三维点云数据，探寻一种数据融合最优方法优化三维模型，形成高精度城市建筑物内外一体全方位实景三维，获取更丰富完善的视觉体验，服务城市建设与发展等应用领域。
关键词：背包式移动三维激光扫描；建筑物内外一体实景三维；点云数据融合
中图分类号：P231 文献标识码：A
1.引言
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，是一种高效率、高精度、非接触式的主动测量技术，它可以在多种恶劣观测条件下进行外业扫描，大面积快速获取目标物体的表面以及建筑物内部的三维坐标数据，形成海量三维激光点云，配合倾斜摄影测量成果，建立目标物体的数字表面模型，通过激光扫描仪内置或外接的同轴数码相机拍摄的影像将点云赋上真彩色，快速高效获取建筑物顶部及侧面高分辨率纹理信息，生成真实的城市三维模型。背包式移动三维激光扫描由于其使用简单、扫描快速、无需固定测站、操作安全且精度高等技术优势，极大地提高数据采集效率，降低劳动强度，提高生产效率。
2.目标内容
研究的目标是探寻一种三维激光点云数据与倾斜摄影测量数据融合的方法，找到激光扫描测量与倾斜摄影测量的最优配比，解决遮挡区域的扭曲变形、建筑物室内数据缺失等问题，嵌入精准地理信息和属性信息，最大限度地还原真实景物，达到三维建模生产效率及成本的最优化，实现建筑物内外一体全方位高精度实景三维建模，提供更高级更全面的视觉体验，拓展更多应用领域。
3.技术路线
通过现场踏勘，制定详细规划设计，采用背负式三维激光雷达测量方式，对建筑物目标进行内外全方位数据采集，通过数据解算、拼接，将三维激光点云与已有倾斜摄影（经空三加密）点云融合，再进行模型渲染、纹理映射等，生成精细优化建筑物内外一体三维模型，获取研究成果。总体技术路线如下图所示：
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图1 总体技术路线
（1）外业采集
外业获取建筑物内外部三维点云数据以及纹理数据，主要流程包括现场踏勘、规划路线、数据采集、点云预处理、数据导出等过程。
激光点云数据需剔除遮挡点、错误点、噪声点和测量随机误差点、边缘特征处“毛刺”等，处理因树木、路灯、行人、车辆等遮挡在点云数据中形成建筑物的表面空洞，以及激光穿透玻璃等透明物体形成的冗余数据。
（2）内业处理
内业主要包括点云解算、全景缝合、坐标转换、创建模型、模型优化、纹理映射等过程。
点云解算是将云数据和POS位置姿态信息进行点云距离信息解算、POS数据解算、坐标变换和高斯投影等联合解算，得到激光点元三维坐标。点云数据配准采用人工与自动配准相结合的方式，人工选择相邻测站重叠区域同名点，基于点云数据块的整体统计特征和基于点云局部曲面特性等寻找两站数据的相似性区域，然后进行自动配准，采用迭代最邻近点ICP算法来自动实现。经过去噪处理后，对建筑物采用精密三角网算法构建模型，再以最近邻判断剔除重复构网，然后通过点云内插处理空洞问题，重新生成三角网，经过曲面优化，剔除激光测距本身噪声影响。
（3）模型优化
将拼接后的激光点云与已有经空三加密后的倾斜摄影点云融合，构建不规则三角网（TIN），进行平滑和简化，再由TIN构成白模，最后采用纹理映射模型实现自动贴图，生成高精度精细优化的实景三维模型。关键技术涉及到倾斜摄影密集点云数据提取、点云数据去噪技术、点云平滑与抽稀技术、改进的ICP算法、数据归一化建模等。
（4）实验结果
经过实验表明，单独使用倾斜摄影或激光点云生成的三维模型与基于两者点云融合生成的三维模型进行对比，可以看出：由于树木、行人等遮挡，使得倾斜摄影模型在出现明显的变形，融合三维激光点云后变形问题得到解决。三维激光点云密度大且精度高，点云融合生成的三维模型墙面更加平整、底部效应得到改善、拉花现象明显减弱，精细度大幅提升，效果得到优化。
背包式移动三维激光雷达扫描与倾斜摄影在技术上具有很强的互补性，通过实验研究，两者技术融合能够实现城市建筑物内外一体全方位实景三维完美构建，在新型城市规划方面能提供全面基础空间信息数据，在智慧城市、城市规划、工程监管等领域应用广泛。在应急管理方面，借助高效内外一体化高精度、全方位实景三维三维建模，快速掌握目标区域的现状与变化情况，了解事发地周围以及建筑物内部详细信息，进行准确量算如通视距离、制定制高点，为应急行动有效指挥提供一种快速、机动、灵活、高效的应急方案。
4.结束语
通过实验研究与探讨，背包式移动三维激光扫描辅以倾斜摄影数据构建建筑物内外一体全方位实景三维，实现优势互补，提高生产效率，提升三维精细度，彰显建筑物的完整性，节约人力、物力成本，为城市实景三维快速建设方案提供参考，全方位精细化实景三维能从内外部、多角度全方位观察建构筑物，更加真实反映地物的实际情况，获取地物表面的精细结构，对建筑物高度、长度、面积、角度、坡度等进行量测，获取等值线、剖面和断面等信息，当建构筑物和文物遭到破坏时，准确提供修复和恢复数据，应用前景广阔，在智慧城市/社区/园区/景区、不动产测量、古建筑保护、应急指挥、交通执法、城市公共交通管理、市政管理以及重要场合安防等领域均可发挥巨大作用，促进城市建设科学管理，提升城市发展能级和品质,促进城市高质量可持续发展。
参考文献
[1]赵典刚.基于三维激光扫描+实景建模的建筑逆向建模关键技术研究[D].青岛理工大学,2018
[2]张平.倾斜摄影和激光扫描技术在城市三维建模中的融合应用研究[J].城市勘测.2018
[3]姜如波.基于倾斜摄影和近景摄影技术的实景三维模型制作[J].城市勘测.2018
[4]周杰.基于倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的方法研究[J].价值工程.2016
[5]王健,靳奉祥,李云岭,赵相伟,王婷婷.三维激光扫描技术在城市三维数字景观建模中的应用.[C]《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集.2008
作者简介：郑志安，工程师，主要从事地理信息、智慧城市、空间规划等技术研究。E-mail：zhengzhian2018@163.com