基于倾斜摄影测量与激光扫描技术的融合建模研究

基于倾斜摄影测量与激光扫描技术的融
合建模研究
2.自然资源部第二地形测量队湖北大冶 435100
摘要：城市实景三维模型数据采集多是采用无人机倾斜摄影测量技术，一般
要将专用的多视镜头置于无人机中，便于高效获取所需的三维信息。

相对于传统
的航空摄影方式，无人机倾斜摄影测量技术的优势显著，可通过不同角度采集地
面信息，使遥感影像应用范围进一步扩大。

采用倾斜摄影测量技术生成的三维建
模具备了更全面的地理信息，改善了用户体验，减小了成本，形成的城市场景和
人类视觉系统比较相符，应用前景广阔，但建模效果往往会受到地形起伏等因素
的影响，导致在分辨率及精度方面无法满足要求。

三维激光扫描仪摒弃了传统扫
描过程中的接触特性，具备较好的测量效率，能够在单位时间内完成大量的目标
坐标测量，因此在三维模型构建过程中可采用激光扫描方式，结合得到的点云数
据及影像纹理等，即可建立精度较高的模型。

关键词：倾斜摄影测量；激光扫描技术；融合建模
1倾斜摄影测量与激光扫描技术
（1）倾斜摄影测量。

倾斜摄影测量是通过在无人机或机载相机上安装倾斜
摄影相机，采用多角度、高分辨率的照片进行测绘。

倾斜摄影测量可以在较短时
间内快速获取三维点云数据，具有高效、成本低、覆盖面积广等优点，适合于城
市规划、建筑物立面测绘、地形测量等领域。

（2）激光扫描技术.激光扫描技术
是通过激光雷达对地面进行扫描，获取地面点云数据，再通过后期处理获得地形、建筑物等物体的三维模型。

激光扫描技术具有高精度、高分辨率、能够获取细节
等特点，适合于需要高精度、高精细度的领域，如文物保护、隧道勘察、矿山开
采等。

2关键技术与主要流程
2.1数据准备
在融合数据处理前，首先需要准备覆盖测区范围内的倾斜摄影影像、激光雷
达点云数据、POS数据、相机文件。

如果是机载激光雷达还需准备航迹数据，并
检查二者坐标系是否一致，如不一致则需进行坐标转换。

待航迹和激光点云坐标
系匹配以后，再导入软件中进行激光点云和影像点云进行配准和建模。

2.2基于倾斜摄影测量的三维模型重建技术
倾斜摄影测量技术突破了以往只能从空中垂直拍摄的局限性，通过将多台传
感器搭载在无人机上，在空中对地面进行垂直向、多角度倾斜向拍摄以获取影像
数据，给予人们符合人眼视觉的真实客观世界。

目前该技术被广泛应用于国土安全、水利电力、应急抢险、城市规划管理等领域。

基于倾斜摄影测量进行建模的
关键技术包括空三加密计算、密集匹配处理、纹理映射等。

空三加密通常利用软
件加载多视角影像数据以及采集时获取的POS文件，通过光束法构建区域网进行
整体平差计算，通过多次解算得到精确的外方位元素，然后通过控制点量测，得
到空三加密成果。

是将整体区域以最佳方式加入控制点坐标系并恢复地物物方位
置关系的过程。

影像匹配算法是根据拍摄的相片自动匹配出所有的同名点，然后
通过提取大量特征点以构成密集点云，得到地表的三维信息数据。

目前，常用的
三维建模软件包括：ContextCapture、瞰景Smart3D、大疆智图等，这些均为基
于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件。

2.3激光雷达数据与倾斜摄影测量影像融合建模
融合建模的关键点是将倾斜摄影测量密集匹配过程中产生的大量点云数据与
激光点云数据合并作为三维模型几何结构的数据源。

首先，利用倾斜摄影测量数
据进行常规空三解算，生成基于影像数据的点云。

其次，将预处理后的激光点云
数据导入软件平台，在融合前需保证两种点云数据格式的一致性，常用的数据格
式为*.e57和*.las，然后通过配准将激光点云和影像点云转换到同一坐标系下。

接着，提交空三进行解算，此时融合后的点云数据将会一同参与空三解算。

最后，待融合点云空三解算完成后，将融合后的点云数据建立不规则三角网，再对三角
网进行分割生成三维白模。

通常在三维模型重建过程中，软件会自动从影像中自
动计算相应的纹理，通过匀光匀色、分辨率设置等自动将纹理映射到三维白模上。

部分软件也可以将赋色点云纹理用于模型纹理贴图，但是映射效果不如影像纹理
映射效果佳。

3研究实施过程
为了评价激光点云和影像点云融合后建立的三维模型的效果，本文选取某牌
坊作为三维建模对象开展融合建模实验。

通过架站式三维激光扫描技术获取目标
对象的点云数据，通过机载倾斜摄影测量采集目标对象的影像数据。

架站式激光
雷达是将由激光测距仪和反射棱镜组成的激光扫描仪架设在地面上，以一定的均
匀角速度进行旋转扫描，通过主动发射激光和接收回波信号进行测距，通过解算
得到测站与扫描点之间的相对坐标，联合测站的已知坐标解算出物体表面的三维
坐标，形成激光点云数据。

架站式激光点云数据具有高精度的特点，可以对倾斜
摄影在近地面区域数据精度低起到良好的补充作用。

倾斜摄影测量通过空中对地
拍摄可以补充架站式三维激光扫描数据顶部因扫描盲区和视角不够广等缺陷造成
的数据空洞。

对采集的影像数据和点云数据进行融合建模，并将融合后的三维模
型与基于倾斜摄影测量技术建立的三维模型进行对比分析，以此验证融合技术对
建模效果提升的可行性。

3.1数据概况
本案例拍摄的影像尺寸为5472×3648。

激光点云数据选用徕卡RTC360扫描
获取激光点云数据，视角场水平为360°，垂直为300°，扫描范围为0.5～130m，扫描速率高达2000000点/s。

3.2实施步骤
（1）数据导入。

新建工程，在软件中导入采集的影像和对应的POS信息，
也可将POS信息提前写进影像里再进行导入。

对影像路径及影像完整度进行检查，确保影像数据无误即可进行下一步操作。

（2）空三加密。

创建空三任务，输入
空三任务名称，影像数据选用所有导入的影像数据。

设置姿态、位置、连接点密
度和匹配模式等参数后即可进行常规空三解算，此次解算过程中，只有连接点参
与解算，控制点不参与解算。

在倾斜摄影测量得到的大量照片点云的基础上，导
入架站激光扫描仪扫描获得的点云数据，点云数据支持格式为*.e57和*.las。

（3）点云配准。

从导入的激光点云数据中提取6个特征点的坐标信息，将这些
点作为人工控制点导入软件中，在影像点云中进行控制点刺点工作并提交空三任
务进行控制点平差计算，此时采用控制点平差计算对区块进行精确配准处理。

（4）三维模型重建。

确认融合后的点云无分层后可进行三维重建，设置重建瓦
块大小、模型坐标系原点、发布数据格式等参数。

模型几何来源选用图片点云混
合构建，纹理来源选用图片纹理，然后提交重建任务进行模型生产。

3.3模型效果对比
为更直观地对比模型在结构方面的变化，隐藏三维模型的纹理，仅用TIN生
成的三维模型白模进行融合前后模型效果对比。

基于倾斜摄影数据建立的模型中
避雷针和电线等特征在模型中明显缺失，屋檐下部存在明显拉花现象，柱体等表
面存在凸包可以看到模型中的花纹等细节性呈现较好，但建筑物顶部砖瓦存在严
重空洞，这主要是由于架站激光扫描仪扫描角度有限，往往存在建筑物顶部扫描
不完整的情况。

融合后的模型可以完整构建避雷针、电线等细节特征，屋檐下部
结构特征改善较为明显，柱面相较于倾斜摄影测量建立的模型更加平整，可见融
合后的模型细节表现能力有所提升，模型质量得到了较大程度的提升。

并且由于
倾斜摄影恰好可以补充顶部视角，因此融合后的模型建筑物顶部结构完好，很好
地弥补了地面激光点云建模的缺陷。

4结语
本文详细介绍了融合建模的关键技术和操作流程，结合案例实测数据开展实验，通过成果对比分析，结果表明激光点云数据与影像数据融合进行建模可有效
提升模型质量，特别是在模型屋檐下部、建筑物顶部等结构方面改善较为显著，
融合后的模型更能体现结构细节性，可更好地应用于实际项目生产中。

但激光点
云与影像点云融合后进行模型重建处理的耗时也会随着点云数据量的增大而增加，因此还需要进一步优化点云融合处理算法，并且对建模数据处理设备方面有一定
的要求，以增加模型生产效率。

参考文献
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