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行业应用

保护台北历史文化 | 航空摄影测量与地面扫描点云融合,构建实景三维模型

    点云以其承载丰富细节与信息和容易被进一步分析处理的特点,作为测绘中间成果和最终成果越来越多地被采用。点云有多种来源,如来自激光测量的:地面三维激光扫描仪、车载LiDAR、机载LiDAR和手持/背包SLAM扫描等;有来自摄影测量的,如无人机航摄、无人机倾斜摄影和近景摄影测量等。不同来源点云的融合成为当下热门课题。本文以台北市四四南村为例,融合地面三维激光扫描与无人机航空摄影测量数据,来完整记录历史文化遗迹,并就融合精度与作业效率进行分析。

    四四南村建于1949年,安置了搬迁至台的青岛联勤四四兵工厂的员工及其眷属,距离101大楼不到300米。台湾有大量眷村,说来与内地的“部队大院”有些类似。台湾眷村走出了大量的文化名人,比如龙应台、余光中、李安、林青霞、王祖贤,罗大佑、张雨生、齐豫、齐秦、任贤齐、伊能静,还有“天下谁人不识君”的邓丽君。四四南村保有典型的眷村文化特质,作为战后台湾社会历史的见证,具有相当的文化意涵。作为全台第一个眷村,其对称的4栋建筑物、自治会、碉堡、防空洞被作为历史建筑加以保护。由于其与邻近的101台北金融中心并存,因而使信义区呈现了充满历史与现代感的多元风貌。

    四四南村为历史建筑,是一个使用地面激光扫描纪录现状的良好地点,为获得地物的屋顶、树冠层、或因地形高低起伏而被挡住的低地势表面,我们采用无人机航空摄影,以补足地面扫描盲区的点云。

 w01.jpg                                                       图1 四四南村


地面三维扫描

       本文地面激光扫描设备为使用Trimble X7三维扫描仪,X7具备有3组同轴的一千万像素的相机,1分钟可以拍摄完一组1亿5千8百万像素的标准全景照片,或2分钟拍摄3亿1千6百万像素的高质量全景照片;X7扫描精度为2mm,扫描距离为0.6m至80m;典型的一站扫描(含全景照片)时间为2分34秒。仪器具自动整平功能,在范围为±10度,整平精度达3”。仪器还具有基于惯导技术的现场自动精确配准功能,并且能赋予项目地理坐标。点云经全景照片自动匹配着色成为彩色点云;由于是同轴相机,色彩匹配精度极高质量很好。

点云配准的三种形式

    就目前市面上的地面扫描仪而言,一般的扫描仪都无法在外业将不同扫描站的点云拼接(本文的拼接特指符合精度要求的精确配准)在一起,需要利用内业工作站上的点云后处理软件,将各站的点云进行拼接,拼接的方式有自动拼接或手动拼接两种。但Trimble X7给出了第三种拼接方式 ——现场自动拼接

1.后期软件自动拼接

    自动拼接由于在现场无需摆设标靶,架站即可扫描,扫描完即可搬站,所以具有作业快速的优点。把项目点云导入Trimble RealWorks软件或Trimble Business Center软件,一键即可启动自动拼接,软件会在各站点云之间寻找共同特征进行高精度的匹配,最后实现准确的拼接。优点是现场不再使用标靶,效率极高,另外软件计算快速,大约1~2分钟即可配准一站;同时还有精度颇高的优点,与使用标靶相当。唯一一点要求是测站之间的点云需要足够的重叠率,一般要求>30%,以确保有足够的共同特征以供软件识别。如图2。

w02.jpg                                                                          图2 自动拼接示例

 2.手动拼接

    手动拼接则是内业人员利用人工辨识的方式,在软件中标示两两站之间的三对或以上共同特征点。也是利用Trimble RealWorks软件或Trimble Business Center的点云模块进行手动拼接,将基准站(红色),和待拼接的移动站(绿色),在标示两站共有的至少三个共同特征点后,就可以将两站的点云数据拼接在一起。一般来说,手工标示特征点误差比较大,但是天宝软件都具备自动精化功能,会把拼接精度进一步迭代提升到最佳。在建筑内外的场景下,一般指定一个共同特征点,软件就能自动识别并自动拼接成功,这也是天宝软件独有的特性。

3.现场自动拼接

    Trimble X7 三维扫描仪所搭配的T10平板电脑,可以在外业现场实时地自动下载点云用于三维浏览,并且在后台进行点云自动拼接。如图3,当每一站扫描完成后会自动与上一站或选择的站位数据做拼接,这是Trimble Perspective 软件后台进行无需人工干预。当拼接完成时,操作人员在现场马上可以看到拼接精度和整体三维效果。如果精度不足,可以人工干预重新拼接,如图4;如果点云覆盖不足,在现场就可以进行资料补测,这样能大量减少因为回到办公室后进行点云拼接时才发现点云资料不足,而再次往返作业现场补测的时间与人力成本。

w03.jpg图3 平板电脑上Perspective软件自动拼接后形成连线


图4 外业软件手动拼接

Trimble X7扫描仪一键操作、无需标靶,一个人测量非常简便快速。本测区共扫描18站,每站都自动扫描、拍照和拼接,合计约1小时,拼接误差为6mm。本文使用的点云处理体为Trimble Business Center,自动导入Trimble X7的项目数据,项目内包含已经完整拼接的整体点云及全景相片,因此省略了内业拼接的时间。我们试着将已完成拼接的点云中断其链接后再重新拼接,Trimble Business Center点云处理具备自动拼接或任一点自动拼接之功能,能方便快速拼接点云资料并告知拼接精度与重叠度。点云导入如图5,全景照片格式如图6。

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                                                   图5 X7扫描资料导入

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                                     图6 同时导入全景照片


利用无人飞行载具进行航拍

    近年来无人飞行载具(UAV)的发展日新月异,相较于载人飞机与卫星影像而言,不仅成本较低,并且操作容易,具有高空间分辨率等优势,在测绘领域大量应用。

使用设备

    本文使用DJI Phantom 4 Pro无人机,相机的像素为5472*3648像素,焦距为8.65mm,像素尺寸为2.41*2.41μm。

地面控制点测量设备

为获得高精度航空摄影测量结果,此次控制点测量使用的是Trimble R8s LT GNSS接收仪。R8s LT具有三星系220个通道,VRS-RTK水平误差8mm与垂直误差15mm的高定位精度,再加上IP67的防护等级,让我们能在各种天气环境获得精准的定位资料,如图7。地面控制点使用具有大地高程改正模型的全星系RTXNET所发布的改正信号,测量结果已直接转换为正高。经与 e-GPS 站资料精度评估,大地高程标准差为5.1厘米。

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                               图7 R8sLT R8sLT GNSS控制测量

作业时间

    航空摄影测量使用航高40m,航线6条,如图8。航拍工作时间约25分钟,7个的地面控制点测量时间约15分钟。

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                                                         图8 UASMaster航线示意图

数据处理

使用被誉为“无人机大师”的Trimble UASMaster软件,是专为无人机航测作业的处理软件,具备高度自动化处理能力,能够生产真正射影像、彩色三维模型和高精度点云。使用i7,32G内存笔记本电脑处理,完成点云,真正射影像(如图9)及mesh网格资料等计算,作业时间为75分钟。

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                            图9 作业区真正射影像


融合:地面扫描点云与无人机航摄点云

Trimble UASMaster后处理软件,具有将影像数据生成三维点云的功能,因此就可以与地面扫描的点云整合为一体。由于UASMaster生成的三维点云已经具备有地理坐标,因此我们以航摄处理后的点云为基准,直接利用Trimble Business Center点云自动拼接的功能,一键拼接。无人机航摄点云与X7扫描点云拼接于1分钟内完成,误差约35mm。

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                                 图10 航摄处理点云图

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                         图11 X7点云与无人机点云融合后


12 以不同视角查看整合后点云


空中三角精度分析

整体平差精度
控制点较差分析

GSD为18.8mm


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结论与建议

结论

(1)各种不同测量数据的融合,已成为近期空间信息应用的主流,数据的融合必须架构在共同的坐标系统下。
(2)Trimble X7地面三维激光扫描仪具有轻便、高精度、易于操作及耐候性佳的优势,作业时自行整平与自动拼接的功能大幅节省工时且提高产能。
(3)航空摄影测量软件的演算模式关系着点云处理之可靠度,由本次作业模式可知,Trimble UASMaster商业软件所分析之资料具有极高的可信度。
(4)航空摄影测量与地面扫描点云的融合,建构了完整的三维模型,记录了完整历史建筑资资料,并可为决策、规划,分析之依据。

建议

(1)本次作业时于资料处理时,发现相片所纪录之高程与航高不同,造成资料汇入于计算时无法正确处理之情形,因此航空射影测量作业时应注意飞航信息之正确性。
(2)本研究旨在建立以商业软件快速、符合精度融合不同点云数据,以缩短作业时间提高产能;后续可进行各种不同作业模式融合,如分别进行地理坐标套合再融合等之研究,提供作业更好之作业模式。

参考文献
[1] 台北市立大学,台北市信义区公所,台北市信义公民会馆四四南村历史沿革,2014。
[2] 国土测绘中心,台湾大地起伏模型成果说明,2014。

作者简介

高拔萃/刘士豪/石乃文/丁俊豪
台湾仪器行股份有限公司,台北市                         来源:台湾仪器行

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