摘要：倾斜摄影是一种高效、低成本的三维建模技术，被越来越广泛地应用于城市三维重建 当中。由于其通过空中作业获取地面影像数据，不可避免地会产生局部遮挡现象，使得在空三加密 过程中出现点云漏洞，导致三维模型在相应部位出现拉花、变形现象。为解决倾斜摄影技术的遮挡 问题，从而实现模型的精细化，提出倾斜摄影与地面激光点云融合建模的方法。
研究表明: ①基于倾斜摄影的三维模型在有遮挡区域会出现明显的扭曲变形; ②地面激光点云可以修补缺失的影像 点云; ③倾斜摄影与地面激光点云融合建模可以明显地提高模型的精细度。
关键词：倾斜摄影 激光点云 点云融合 精细化建模
由于倾斜摄影拍摄角度及作业方式的限制，经空三加密后的三维点云在有遮挡的区域存在空洞， 并不能建立完整的三维模型，这会造成大量的信息 损失。地面激光点云具有精度高、密度大等优点，所以很多学者对此展开了研究，二者融合建模已成为 当前研究热点。张祖勋院士在2011年中国测绘学术年会上指出 LIDAＲ与摄影测量技术结合在城市三维重建中的应用前景; 武汉大学邓非博士尝试通过立体像对获取三维点云，再与地面激光点云进行配准，该方法关键在于摄影测量获取三维点云，对内方位元素的标定有较高的要求。本研究在深入分析以上成果的基础上，通过实验对倾斜摄影遮挡问题导致的模型扭曲变形进行解决。
01
技术路线
实验采用了
倾斜摄影与地面激光点云融合建模的方案
。利用双镜头倾斜摄影系统对测区某一典型具有房檐遮挡的房屋进行摄影，同时使用架站式三维激光扫描仪对同一房屋进行多站扫描。
通过 ContextCapture软件将倾斜摄影经空三加密的点云与拼接后的激光点云相融合进行精细化三维建模
，并与单独使用倾斜摄影生成的三维模型进行模型精细度对比。其技术路线如图1所示。
图
1
技术路线
02
倾斜摄影与地面激光点云结合
2.1 两者结合建模的优势
倾斜摄影具有高效性，在短时间内可以获取大范围的城市建筑物、地形影像。但由于其飞行高度高，容易受到植被或者房檐的遮挡，造成地物纹理的缺失，导致在空三( 空中三角测量) 过程中无法生成完整的加密点云。
采用地面三维激光扫描技术辅助倾斜摄影测量可以修补盲区缺失的点云，
激光点云与影像点云相比，激光点云密度大且精度高，空三加密点云生成效率高。因此，
将两者进行结合可以实现优势互补，既保证了生产效率，又保证了倾斜摄影被遮挡区域点云的完整性，提高了模型的精细度。
2.2 坐标配准
2.2.1 激光点云配准
激光点云配准是指将扫描仪各站不同的扫描坐标系统经点云拼接转换到同一坐标系统下的过程。在扫描中受视角的限制，需要对测区进行多站扫描， 但每一站都有各自独立的扫描坐标系。点云配准的 任务就是将各站独立的坐标系转换到同一坐标系统下。设有点云 A、B，P( X、Y、Z) ∈A，Q( x、y、z) ∈B， P、Q 分别为同一点在不同测站扫描坐标系下的坐 标，配准的目的是使所有来自 2 个点云集合但表示 物体相同点的点对( P，Q) 满足变换( Ｒ、T) ，即如下公式:
式中，Ｒ为旋转正交矩阵，满足 ＲT = Ｒ － 1、|Ｒ| = ± 1， T 为平移矩阵，以上公式是配准的基本公式。
实验需要将各站的扫描坐标转换到绝对坐标系下，故采用基于控制点的单站配准。首先根据测区已有的控制点成果做闭合导线，确保控制网覆盖测区。在相邻两站的重叠区域布置靶标，使用扫描仪 对测区进行多站扫描得到扫描坐标( x，y，z) ，同时使 用全站仪观测靶标中心位置得到绝对坐标系下的靶 标中心点坐标( X，Y，Z) 。根据2套坐标及坐标转换公式求得坐标转换参数，从而实现激光点云配准，并将扫描坐标转换到绝对坐标系统下。该过程在 Faro scene 中进行，Faro scene 是一款点云后处理软件，可以进行点云去噪及配准，配准后的点云如图 2 所示
图 2
点云配准
2.2.2 绝对定向
绝对定向是利用像控点坐标确定相对定向模型 在地面坐标系中所处方位以及比例尺的过程。相对 定向完成后，各影像之间的相对定向元素确定，但影像在空间中的绝对位置是未知的，需要利用空间前 方交会构建与地面相似的立体模型。绝对定 向将地面布置的像控点坐标作为已知点，将已相对定向好的模型进行旋转、缩放以及平移，使它与地面量测的数据相匹配，从而在模型中建立起地面坐标 系统。本试验需要将空三加密生成的点云纳入到地面 绝对坐标系统下，故需要在测区布置像控点。使用全站仪量测像控点坐标，并使用此坐标进行绝对定向，从而将基于倾斜摄影生成的点云纳入到地面绝对坐标系统下。绝对定向过程在 ContextCapture 软件中进行。
2.3 点云融合及三维建模
实验使用ContextCapture 软件进行点云融合及三维建模。ContextCapture 支持多种数据源融合建模。经过激光点云配准及绝对定向，激光点云数据和空三加密点云已纳入到同一坐标系统下，可以在ContextCapture中对2种点云进行融合，在点云基础 上构建三角网，同时对三角网进行平滑和简化，最后基于倾斜摄影影像自动映射纹理，即可生成高精度的三维模型。
具体操作如下：
(1) 新建项目并导入影像。
(2) 点击“surveys”选项，导入像控点坐标并进 行刺点，如图 3 所示。
图 3 刺像控点
(3) 进行空中三角测量，通过将像控点坐标参 与光束法区域网联合平差从而将空三加密点云纳入 到绝对坐标系统。融合激光点云前的空三加密点云 如图 4 所示。
图
4 空三加密点云
(4) 点击“point clouds”选项，将绝对坐标系下 的激光点云导入 ContextCapture。
( 5) 点击“3D 视图”选项，检查两者点云是否配准。经检查，两者点云已完美融合，处于同一坐标系统下。融合后点云如图 5 所示。
图 5 融合后点云
(6) 提交重建任务并限定重建范围，由于本次 实验的数据量较小，故不需要分割瓦片。
(7) 提交新的生产项目，输出成果选择“三维模 型”，最后提交工程。
2.4 精细度对比
将单独使用倾斜摄影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精细度对比，点云融合前后生成三维模型的各方位视图分别如图 6、 图 7 所示。通过对比可以看出，由于房檐遮挡，使得倾斜摄 影模型在相应位置出现了明显的变形。融合地面激 光点云后相应区域的变形问题得到了解决，模型的 精细度得到了明显的提高。
图 6 倾斜摄影模型
图 7 融合后模型
03
结论
针对倾斜摄影技术存在的遮挡问题，本研究使用倾斜摄影与地面三维激光扫描仪融合建模技术， 将倾斜摄影经空三加密的点云与地面三维激光扫描仪获取的点云进行坐标配准及点云融合，弥补了倾斜摄影由于房檐遮挡等盲区限制而导致的点云漏洞，完美地解决了三维模型的拉花、变形问题，大大提高了模型的精细度，实现了精细化三维建模，为今后行内相关问题的解决提供了参考。
采用倾斜摄影与地面三维激光扫描仪结合技术虽然可以实现精细化建模，但对于大范围测区来讲， 地面三维激光扫描仪外业采集工作量相对较大，可以往小区域精细建模、文物修复等方向推广。