多源点云数据融合的建筑物建模技术方法

多源点云数据融合的建筑物建模技术方法摘 要:建筑物的三维重建技术分为基于光学遥感影像的倾斜摄影测量方案和 基于多源点云数据融合的三维重建技术。基于多源点云数据融合的建筑物三维建 模是指利用多种设备获取不同来源的点云数据，通过对点云数据去噪、滤波、配 准后构建建筑物三维模型，机载 LiDAR 和地面三维激光扫描仪扫描是目前获取建 筑物点云数据的主要手段，通过 ICP 算法匹配机载 LiDAR 数据和地面三维激光扫 描仪扫描点云数据，实现构建具有真实色彩的建筑物三维模型。关键词：多源点云；ICP算法；融合；三维建模中图法分类号:P21.引言随着“智慧城市”建设的全面发展，城市和社会的精细化管理迫切需要大量 精确、真实的三维地理信息1。三维地理信息由三维地理场景产品和地理实体产 品构成，地理实体产品的构建在形态上表现为建筑物的三维重建。建筑物的三维重建技术分为基于光学遥感影像的倾斜摄影测量和基于多源点 云数据融合的三维重建技术。倾斜摄影测量利用无人机等飞行平台搭载航摄仪通 过多个角度拍摄来获取光学影像，再将影像经过 POS 数据解算、空中三角测量、 三角格网模型构建以及映射纹理等处里过程，完成建筑物的三维重建2。基于多 源点云数据融合的建筑物三维重建技术是对获取的多源建筑物点云数据进行点云 去噪、滤波、配准之后构建建筑物三维模型3。本文使用机载 LiDAR 和地面三维激光扫描仪获取建筑物点云数据，通过 ICP 算法匹配点云数据，研究多源点云数据融合的建筑物三维建模技术方法。1.多源点云数据融合的建筑物建模技术方法2.1 机载 LiDAR 获取点云数据机载 LiDAR 为一种主动式航空遥感对地观测系统，主要由全球定位系统（GPS）、激光扫描仪（LS）以及惯性导航系统（INS）组成。该系统通过主动向 地面发射激光脉冲来获取多种地表信息，可以在较短时间内获取海量高精度、高 密度的地物表面三维点云，而且机载 LiDAR 系统发射的激光束穿透性强能够获取 植被表面下地面信息4-5。2.2地面三维激光扫描仪获取点云数据地面三维激光扫描系统由一台高速激光测距仪配上一组可以引导激光以均匀 角速度扫描的反射棱镜组组成的高速三维测量仪器。三维激光测距仪通过主动发 射激光并接受被扫描对象表面反射的信号来完成三维点云数据采集6。2.3基于ICP算法的多源点云数据匹配基于多源点云数据融合的建筑物三维建模是指利用多种设备获取不同来源的 点云数据，通过对点云数据去噪、滤波、配准后构建建筑物三维模型。2.3.1 点云数据预处理点云数据获取过程由于受仪器型号、设备安装、环境因素、测量过程仪器状 态等影响，使得测量所获得的点云数据中出现噪声点、粗差点，在点云匹配前需 要对点云数据滤波剔除噪声点和粗差点，本文使用阈值改变的反复滤波方法剔除 噪声点和粗差点7。三维激光扫描仪获取的点云数据在密度上远大于机载 LiDAR 点云密度，需要对三维激光扫描仪获取的点云数据抽稀处理。2.3.2基于ICP算法的多源点云数据配准ICP 算法是一种四元数的点集匹配方法，是一种基于最小二乘法的匹配方法， 该方法对两个不同点集中的点云数据集选取欧式距离最短的点为相匹配的点对， 基于匹配点对之间的空间关系来迭代求解最优匹配参数矩阵8。假设空间中存在 两组轮廓相近的点云数据D和点云数据S,则存在一个旋转矩阵R和平移矩阵T 使得变换后的点云数据D到模型点云数据S的距离的平方和最小，矩阵R和T则 为最优匹配参数矩阵。FR,TI-f|忖 Rd；+T)|=mBi机载LiDAR是空对地获取建筑物点云数据，三维激光扫描仪是地对空获取建 筑物点云数据，机载 LiDAR 和三维激光扫描仪都可以获取建筑物侧面轮廓信息， 因此选择建筑物侧面点云数据作为匹配数据，计算匹配参数矩阵，匹配融合机载 LiDAR 数据和三维激光扫描点云数据。2.4 基于融合点云数据的建筑物三维建模利用融合完成建筑物三维点云数据，使用 ContextCapture 软件构建建筑物 三维模型，获取具有真实色彩的的建筑物三维模型。1.基于多源点云数据的建筑物三维建模试验本论文使用飞行平台搭载机载 LiDAR 和地面三维激光扫描仪获取建筑物地面 三维激光扫描数据，扫描数据如图 a,b 所示。点云匹配融合前利用阈值改变的反 复滤波方法剔除 LiDAR 点云数据和地面扫描数据粗差和噪声点，对地面三维激光 扫描点云数据抽稀至400个点/m2。依据 ICP 算法匹配机载 LiDAR 和地面三维激光扫描仪获取的建筑物侧面点云 数据，迭代计算变换矩阵(R,T)，通过变换矩阵(R,T)匹配机载LiDAR数据和地面 三维扫描点云数据，图 c 为匹配结果，红色为机载 LiDAR 数据，绿色为地面三维 扫描数据。匹配融合完成后使用 ContextCapture 软件构建建筑物三维模型，获 取建筑物三维模型，图 d 为建筑物三维模型构建结果。a.LiDAR点云数据b.三维扫描点云数据c.融合后点云数据d.建筑物三维模型1.结束语本文通过ICP算法对LiDAR点云数据和地面三维激光仪扫描数据匹配处理，构建建筑物三维模型，得到建筑物表面的轮廓信息。补充了倾斜摄影测量的漏洞 区域，提高了建筑物轮廓信息获取的完整性。但本次实验未结合倾斜摄影测量获 取的光学影像数据，同时点云数据由于强穿透性在难以获取房屋玻璃的纹理，后 续研究应该结合光学影像数据，融合点云数据和光学影像数据，实现建筑物全范 围精确建模。参考文献1 耿中元，王凤，刘飞，等.倾斜航空摄影实景三维模型技术研究及应用J.北京测绘，2017(6):28-32.2 陈思，冯学兵，刘阳基于倾斜摄影实景三维模型单体化分类与应用J.北京测绘，2018(4):409-414.3 霍芃芃，侯妙乐，杨溯，等机载LiDAR点云建筑物屋顶轮廓线自动提取研究综述J.地理信息世界,2019,26(5):1-13.4 彭泊涵.结合机载LiDAR数据的单体三维建模技术分析J 测绘通报, 2018(S1):117-120.5 惠振阳，程朋根,官云兰，聂运菊.机载LiDAR点云分类综述J.激光与 光电子学进展,2018,55(06):7-15.6 龚珍.地面三维激光扫描点云场景重建方法研究D.中国地质大 学,2017.7 秦臻，朱号东,羌云娟，何顺华.三维激光扫描噪声点分步剔除技术J. 测绘科学,2013,38(06):140-142.8 王庆闪，张军，刘元盛，等基于NDT与ICP结合的点云配准算法J. 计算机工程与应用，2020，56(7):88-95.第一作者简介：宋国雄，助理工程师，主要从事摄影测量和工程测量工作。