基于Mesh模型和激光点云的高精度三维场景重建

基于Mesh模型和激光点云的高精度三维场景重建[摘要]三维场景建模技术是实现城市规划、设计、施工以及数字孪生的重要手段。相对于传统测绘手段，新型测绘技术的发展使得对城市场景生命周期的管理变得更加数字化和智能化。基于此，本文以浙江省嘉兴市火车站为研究区，提出一种结合“激光扫描+倾斜摄影+人工建模”的技术方案，即通过三维激光扫描、倾斜摄影测量和人工建模技术实现城市场景高精度部件级的数字孪生。研究结果表明：本文构建的三维模型平面中误差为南广场±0.17m,北广场±0.12m,不仅可以满足城市场景建模精度要求，为后续建筑物改造与维护提供更加丰富的几何和纹理信息，也为城市的维护、管理及可持续发展提供重要依据。[关键词]激光点云；倾斜摄影测量；数字孪生；三维建模经济的发展以及人们对城镇现代化需求的提高促使建筑及其相关行业迅猛发展，如何高效率、精细化地还原城市场景是目前城市管理重点关注的问题之一[1-2]。由于传统测绘侧重于获取城市场景二维数据，且在测量过程中受测量员主观因素影响较大，不仅耗时耗力，还可能影响测绘结果的准确性和完整性[3-4]。现代数字化测绘技术的发展对整个测绘行业产生巨大推动作用5,其提供的更加准确、全面和可视化的测绘数据，使高效、高精度的城市三维场景重现成为可能[6-8]。三维建模技术主要通过对实际场景的精确数据采集和三维建模得到了广泛的研究与应用。文献[18]利用倾斜摄影测量，通过邻域的细节和特征，如窗户、门廊、装饰等。这为城市规划、建筑设计、1研究区与数据源1.1研究区车站”,是承载着中共一大红色记忆的百年老站，具有重要的历史意义。于2021年6月25日完成的火车站改扩建工程是嘉兴迎接建党一兴火车站地块面积约0.15km²,火车站总建筑面积约220000m²。研究区具体地理位置如图1所示。浙江省嘉兴市南湖区浙江省嘉兴市南湖区N人图1研究区地理位置情况1.2数据源本文基于轻量级三维激光移动扫描设备QSA2和大疆精灵4实时研究区数据采集所用仪器如图2所示。(a)三维激光移动扫描设备QS-A2(b)大疆精灵4RTK无人机图2数据采集所用仪器2研究方法据融合、三维建模及纹理映射等，实现城市场景1:1三维重建。技术路线如图3所示。倾斜摄影飞设计质量检查是POS数据航摄影响像控点数据纹理映射否激光点云数据倾斜航空摄影否图3技术路线图2.1点云模型构建云数据的获取，室内部分点云路线如图4所示。图4室内部分点云路线坐标转换坐标转换点云着色点云纠正点云优化点云解算图5点云模型构建利用多传感器融合算法进行定位定姿系统(positionandorientationsystem,POS)轨迹解算，并根据解算的POS轨迹，结得到彩色点云，如图6所示。图6彩色点云影像叠度80%,旁向重叠度70%进行布设，完成倾斜摄影数据采集。基于ContextCapture建模软件，对于无人机作业得到的影像数据，通过三质量检查完成后，进行Mesh模型重建，如图7所示。图7研究区Mesh模型2.3模型融合方法化Mesh模型结构细节，进而提升Mesh模型全局精度。如图8所示，基于ContextCapture建模软件和两套数据各自精完成研究区Mesh模型成果重建。无人机倾斜摄影测量无人机倾斜摄影测量密集匹配点云工程融合点云模型地面影像模型普修否模型检查?模型成果具有位姿的倾斜影像地面激光点云背包点云数据图8空地数据融合建模技术路线2.4模型精度评估本文主要依据《三维地理信息模型数据产品质量检查与验收》进行质量评估和误差评估。真误差表示观测值与其真值之差，计算公式为式中，X为真值；1为观测值。中误差是衡量观测精度的数字标准，也称“均方根差”。按有限次观测的偶然误差求得的标准差为“中误差”,用来表示偶然误差或者观测值的离散程度。式中，△为真误差；n为观测次数。3结果与分析3.1模型精度评估结果如表1所示。表1模型样本质量统计表(打分制显示)空间参位置场景附件精度效果质量火车站南广场火车站北广场本文模型空间参考系统采用2000国家大地坐标系；位置精度通质量主要表现为数据采集的设备及外部条件的记录文档是否满足要研究区三维地理信息模型误差具体评估情况如表2所示。误差火车站南广场火车站北广场高程中误差3.2研究区三维模型三维模型如图9所示。图9研究区三维模型3.3部件级三维模型本研究所用方法充分发挥地面点云和无人机影像两种数据源各(a)三维模型(b)现场照片图10建筑物室