黄瑶 黄凯
江西省自然资源测绘与监测院 江西南昌 330002
摘要：在实景三维建模技术中，无人机倾斜摄影有着成本低、效率高的优势。市场上现有的无人机设备搭载倾斜摄影镜头的作业模式可以便捷地进行倾斜摄影测量。倾斜摄影测量能快速采集并生成大面积的点云，在点云的基础上根据像片进行纹理贴图，但是对于有遮挡的地面建筑或地下结构，由于影像的重叠度不能满足特征点的密度，所以不能生成结构完整的密集点云，导致点云结构缺失，不能用于内部的建模、测量。三维激光扫描仪可以对测区进行360°的全景扫描，可采集到倾斜摄影测量无法采集到的结构，并且点云精度高于倾斜摄影测量。所以采用无人机倾斜摄影与三维激光点云进行空地融合，可以提高模型精度。基于上述情况，本研究以汕头某小区进行空地融合测试，实验采用大疆M600无人机搭载五镜头相机采集倾斜影像，使用天宝SX10三维激光扫描仪进行地面站扫描，经过建模软件处理得到精度较高、纹理较清晰的实景三维模型。
关键词：倾斜摄影；三维建模；精细化
1 倾斜摄影测量与三维激光扫描原理
1.1 倾斜摄影测量原理
倾斜摄影测量的基本原理是将在空中拍摄的以中心投影为成像原理的航片，经过数学变换转化为平行投影的方法，其中最为核心的计算公式是中心投影共线方程。
S为摄影中心，在世界坐标系下的坐标为(XS,YS,ZS),M为空间一点，在世界坐标系下的坐标为(X,Y,Z),m是M在影像上的构像，其像平面和像空间辅助坐标分别为(x,y,-f),(Xm,Ym,Zm)，此时S、m、M三点共线，可得如下公式:
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其中，dXS、dYS、dZS、dφ、dω、dκ为外方位元素的改正数，dX、dY、dZ是待定点坐标的改正数。根据式(3)列出误差方程矩阵，根据最小二乘原理可求解点的改正数和外方位元素的改正数。
根据共线方程解求出像片的外方位元素，根据内、外方位元素进行密集点云重建，附加纹理贴图，最终得到实景三维模型。
1.2 三维激光扫描仪测量原理
三维激光扫描仪是多技术融合的数据采集设备，其中最主要的是依据测距系统进行测距的技术(激光测距技术)。SX10三维激光扫描仪采用激光测距技术，采用脉冲测距法，即记录激光发射器发出的脉冲信号射到物体表面，再反射至仪器本身的时间为Δt，利用式(1)计算出扫描仪至被测目标中心的距离S，其中C为光速。
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同时扫描仪内部的精密时钟会同步记录每个激光脉冲的水平扫描角度值α和垂直扫描角度值。通常情况下，三维激光扫描仪系统有其自身的坐标系，把激光发射处定位为坐标系原点，垂直方向为Z轴，X轴位于水平面内与Z轴垂直。由此可得被测物体表面点P坐标的计算公式如下:
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2 倾斜摄影测量与地面三维激光扫描仪联合建模实验
2.1 试验区概况
选取某小区作为空地融合测试区域，小区面积0.04 km2，小区内部有高层建筑、低层建筑以及公园等，其中小区内含有带房檐的建筑以及地下结构的构筑物。
2.2 数据采集设备
1)倾斜摄影测量设备
本实验项目采用大疆精灵4 RTK无人机进行倾斜摄影作业，采用天宝SX10三维激光扫描仪进行三维激光扫描。其中大疆精灵4 RTK采用内置相机，其中相机参数:有效像素2 000万(总像素2 048万)、影像传感器为1英寸CMOS、镜头FOV84°、焦距8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)、光圈f/2.8—f/11。
2)三维激光点云采集设备
扫描采用天宝SX10三维激光扫描仪，扫描仪器类型为脉冲式、测角精度1″、EDM精度1 mm+1.5 ppm棱镜/2.0 mm+1.5 ppm无棱镜、扫描速度:26 000点/s。
2.3 数据采集流程
1)无人机采集流程
根据测区建筑的建设方向及飞行时日照条件，航线布设为井字形，航线的方向尽量保证与建筑区内主要建筑物的横向、纵向保持一致。为保证测区边缘有足够的影像重叠度，航线外扩100 m。由于小区内有80 m高的建筑，为保证地面分辨率以及模型效果，采用整体以航高100 m飞行，高层区以航高180 m进行补飞，在满足地面分辨率的基础上，保证飞行安全。飞行高度100 m时，地面分辨率2.7 cm/pixel，航向重叠度70%，旁向重叠度80%，采用5条航线飞行，其中一条航线镜头倾斜角度为90°，其余4条航线镜头倾斜角度为60°，飞行时间2 h，采集影像513张;飞行高度180 m，地面分辨率5 cm/pixel，镜头角度、影像重叠度与飞行高度100 m时相同，飞行时长40 min，采集影像199张。本次倾斜摄影测量总耗时2 h 40 min，采集影像总计712张，在测区内布设像控点4个(采集平面坐标以及高程坐标)。
2)三维激光扫描仪采集流程
三维激光扫描仪主要是由激光测距仪和激光扫描仪系统组成，通过发射激光脉冲获取物体表面点云数据。本实验采用天宝SX10三维激光扫描仪进行数据获取，经过对小区现场进行踏勘，在小区内外选定了12个扫描测站位置。其中小区内部9个，外部2个，地下广场1个。绝对定位的测站间在相同位置设置棱镜，并测量其坐标进行拼接，其余扫描测站之间设置公共的靶球，靶球位置应在扫描范围内均匀布设，这样可以提高测站间靶球的复用率。
2.4 数据处理流程及精度检核
倾斜摄影数据处理:首先提取影像中的体征点，进行特征点的特征匹配，根据特征匹配结果进行空三解算，计算并优化相机曝光时相机的姿态以及位置等外方位元素。在空三自由网的基础上进行像控点的加刺，以加刺控制点的空三为基础进行平差计算，用以调整并优化空三自由网解算出的外方位元素。解算的结果中，像控点的重投影误差能够反映空中三角测量的精度，本次实验中，像控点的重投影的误差小于0.03个像素。
三维激光扫描仪数据处理:针对无人机影像生成的三维模型缺陷，对测区进行地面激光雷达扫描。扫描中初始两测站采用共同棱镜作为连接点，并测量连接点在目标坐标系，其余测站配准至目标坐标系下的点云。配准时相邻测站之间的残差不大于2 mm，配准后进行整体平差计算，配准后测站之间的连接数为42个，点群误差为0.008 m，全局误差0.002 m，误差值符合配准要求。
倾斜摄影数据与点云数据融合:将平差后的空三结果导入Context Capture软件，导入后在数据导入界面中导入点云数据，选择pointcloud，进行点云数据的导入，导入过程中选择静态三维激光扫描数据进行导入，选择空间参考系，导入成功后在显示界面可以查看融合后的点云效果。
从模型效果上来看，倾斜摄影测量生成的模型有部分结构缺失，在建筑物的房檐下，由于遮挡，影像的重叠度不足，房檐下模型结构生成不完整，纹理扭曲、拉花严重。倾斜摄影与三维激光扫描仪融合后的模型效果有提升，房檐下模型结构完整，地下部分结构清晰可见，纹理清晰。
3 结束语
1)在倾斜摄影测量与三维激光扫描点云融合建模试验中，融合后的模型平面精度达到厘米，高程精度达到分米。相对于倾斜摄影测量生成的模型，融合数据模型的精度得到提升，具有较高的准确性。
2)相对于倾斜摄影建模，倾斜摄影测量与三维激光扫描点云融合后的模型能真实反映建模实体的外观细节，模型观感与原物体保持一致，弥补了倾斜摄影模型底部结构丢失、立柱房檐等结构缺失问题。
参考文献
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