空地一体化测绘技术在山区地质灾害调查中的应用研究

张立伟

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100039)

1 引 言

三维激光扫描技术作为一项实景复制技术，是近年来快速发展的一项全自动、高精度、高分辨率的立体采集技术。它通过高速激光扫描测量的方法，快速获取被测对象表面的三维坐标，得到被测物体表面的海量“点云”数据，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术的产生，为勘察和测量提供了更加快捷、有效的方式，它具有快速性、非接触性、高密度、高精度、采集自动化程度高等特点，可以快速获取扫描目标表面的三维坐标，为目标矢量模型的建立提供充足的数据来源。

无人机倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项高新技术，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性；传统航空摄影只能从垂直角度拍摄地物，倾斜摄影则通过在同一平台搭载多台传感器，同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影的局限。借助无人机，可用于影像数据的快速采集，实现全自动化三维建模；倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，能同时输出DSM、DOM等多种成果。

无人机倾斜摄影和地面三维激光扫描技术的出现，以其明显优势，很快就在测绘行业中脱颖而出，目前两种技术已较多地应用于地质灾害调查测绘领域。但是在应用过程中，两者都存在一些不足，无人机倾斜摄影可以快速获取平面精度较高的DOM数据，但是其高程精度较差，并且在近地面区域会出现盲区，而且需要布设较多的像控点以提高精度；而地面三维激光扫描能有效地获取地面高精度高程数据，但受视角的限制，在一定高度以上也容易出现盲区；机载雷达技术的出现与发展一定程度上可以同时发挥无人机与三维激光扫描技术的优势，但其设备价格较为昂贵，不利于项目成本的控制。故综合考虑技术因素和经济因素，并结合无人机倾斜摄影测量技术和地面三维激光扫描技术的特点，若将两种技术加以结合构建空地一体化测绘，各自发挥优势则可以达到较好的效果，一是三维扫描点云数据具有较好的矢量特性，可以用于提高影像数据的高程精度；二是两种技术所覆盖区域能够互为补充，提高数据整体覆盖率。

综上所述，本文基于空地一体化测绘技术概念的提出，从地质灾害调查测绘工作应用方面入手，开展技术应用的关键技术研究和精度指标研究，并对应用效果进行评价。

2 空地一体化测绘技术

2.1 技术架构

本文提及的空地一体测绘技术是基于三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术提出的，以三维扫描点云数据与机载影像数据作为主要数据源，同时结合与三维扫描点云数据进行同步采集的近景影像数据作为补充，形成空地一体化测绘的技术架构与完整数据体系，如图1所示。

图1 空地一体化测绘技术架构

2.2 关键技术

目前，对于倾斜摄影测量与三维激光扫描相结合的空地一体化测绘，行业内众多文献中提出的关键技术点在于点云数据与影像模型数据的配准，常用方法是点云数据为无人机航测数据的处理提供精确的位置信息，即在测站层面进行的数据融合配准过程，这种方法在较大的城市场景下得到了较好的应用效果[1]，但在非人工建成区域(例如山区)的自然特征提取较难，需要考虑采用其他的融合处理方式来开展。

而随着硬件工艺水平的不断发展，一方面具有高水平地面分辨率的摄影镜头组合的推出推动了倾斜摄影技术不断突破原有的精度局限，另一方面无人机飞控技术智能化精细化的发展则推动了航摄流程的不断简化，这使得点云数据与影像数据在相对微观层面的融合成为可能，即多点云数据的融合处理技术，可归纳为时空基准及精度、尺度、语义3个层面的一致性处理。时空基准与精度一致性处理主要为建立特定场景下的统一性模型，尺度一致性处理则为了削减不同密度和精度的点云对同一目标表达的尺度差异，语义一致性处理则是为了利用不同数据对于同一对象的不同细节的表达[2]。

2.3 一致性处理的关键点分析

而从文献[2]中可得知，这三个层面的一致性处理存在一些关键点：

(1)时空基准与精度一致性：主要是点云的精确配准环节[2]，会对时空基准和精度一致性产生决定性影响，对于城市场景来看，多点云的精确配准主要分为基于特征提取的配准方法和基于局部特征匹配初值的迭代最近点(ICP)配准两个主要步骤，但对于自然场景居多的山区环境来看，与前文一样，会存在特征提取的问题，故需要根据地形特征来进行特征提取。

(2)尺度一致性：在城市场景下，尺度一致性主要是为了解决点云的冗余和矛盾问题，以实现点云数据的高效利用，因为尺度的不一致会显著影响对多种点云重叠区域所表达的对象的准确判读。在自然场景则更多考虑的一是地形精细程度，二是地形数据覆盖的完整程度，从此种意义上看，点云数据和影像数据的尺度(密度)的差异主要会影响局部地形的匹配精度情况，因此也需要进行一致性处理，但主要是基于地形特征的正确匹配方面考虑而并非在语义方面。

在数据处理开始之前，首先要进行的是尺度一致性处理，对影像数据进行点云化处理后，其点云密度与影像分辨率直接相关。而点云数据与影像点云数据的尺度差异如果过大，将直接导致点云数据与影像点云数据进行的融合过程失败，本文中主要讨论的是地面点云数据与无人机影像数据的融合，地面扫描点云密度可以在毫米级和厘米级之间切换，而目前无人机影像分辨率在地形平缓区域能达到的最小值大约在 1 cm～2 cm之间，一般分辨率在 2 cm～5 cm之间，故在实际工作中，一般考虑将两种数据尺度(密度)控制在 1 cm～ 5 cm间较为合理。

(3)语义一致性：与上一条类似，需要判定的对象类型越少，那么语义的一致性处理则更易于达到，在自然场景下，需要判读的语义信息并不丰富，故在一般情况下，一致性处理的影响并不显著。

因此，综上所述，在地质调查工作所处的山区环境下，语义一致性不是优先考虑因素，尺度一致性更多的是作为融合处理的前提存在。因此需要考虑的关键因素在于时空基准和精度的一致性处理。在下面的章节中，将结合具体的数据实例来进行分析。

3 时空基准和精度一致性处理

下面我们在相关的地质灾害隐患点调查治理项目中，选取了同时进行点云数据和影像数据采集的4个山体区域作为实例进行融合试验，数据基本情况如图2所示。

图2 数据实例

3.1 单种数据处理精度指标对配准结果的影响

首先从两种数据单独的精度指标出发，例如点云数据的配准精度、倾斜影像的分辨率等方面，通过数据实例的试验来对此种匹配方法涉及的关键点进行验证。

点云数据方面，在起算控制点精度一定的情况下，精度主要受两方面因素影响，一是特征点初步匹配的精度即特征点位置中误差，二是配准精度即配准中误差，根据以往项目经验，特征点位置中误差对配准中误差指标造成直接影响，故对此两种精度因素应进行联动性考虑。影像数据方面，在起算控制点精度一定且不考虑部分像片质量异常的情况下，精度主要受两方面因素影响，一是区域范围的影像平均精度即影像分辨率，二是受像片POS精度和影像分辨率影响的影像匹配精度即特征点点位中误差，故对此两种精度因素亦进行合并考虑。

基于上述两种数据的多点云融合，在自然场景下实质上是地形网格结构的融合处理，一方面利用点云数据的高密度特性来对低分辨率的影像点云数据进行近地区域的细化，另一方面则是利用点云的高位置精度特性来对整体模型进行精确定位，影像数据则主要用于为最终的融合处理提供必要的地形初值数据。

上述4组数据中影像数据的匹配精度从上至下分别为 5 cm、 3.5 cm、 2 cm和 1.2 cm，相应的点云数据配准精度最大值为 9.5 mm。利用相关软件进行融合处理时，除精度为 5 cm的实例数据外，其他三组数据均融合成功，而其他几组数据则均融合成功且都具有较好的融合效果，无分层现象产生，由此可看出影像处理精度会对融合的成功率造成影响。

然后进一步分析点云数据的配准精度对于融合精度的影响，从上面试验来看，当点云精度达到 10 mm以内时，数据融合处理过程能高质量完成，而针对 3.5 cm、 2 cm和 1.2 cm这三种影像精度的数据，我们将点云的配准精度分别控制在 10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm以及 40 mm～50 mm区间，来分别进行融合处理，对融合结果进行统计，如表1所示。

融合结果统计 表1

从表1中可看出，一是只有将点云精度控制在 20 mm以内时，融合处理才不会出现分层现象，故可以考虑将 20 mm作为点云配准精度的阈值；二是影像的配准精度也尽可能高，这一点可以理解为地形数据的初值应尽可能达到较高的精度水平，从而达到对融合多点云数据进行有效质量控制的目的。

3.2 特征提取方法的选用

除了需要关注单种数据的精度指标影响外，还需要重点关注的是多点云融合的特征提取方法，主要可按照点、线、面3种特征单元进行分类，分为特征提取、同名特征识别以及转换参数的求取三个步骤，实现两种数据的配准工作，其中点提取和线提取主要适用于城市场景，在自然场景下更多的还是需要考虑面特征提取，即局部地形面特征提取的方式来开展，以上述4个数据样本作为例子，数据的特征匹配更多的体现在点云数据的覆盖与影像数据的覆盖具有一定规模的公共区域，例如大面积的裸岩区域、山区道路等，从而保证多点云数据的精确融合。

4 结 论

基于倾斜摄影测量与地面三维激光扫描技术的空地一体化测绘技术在地质灾害调查测绘领域的应用，最关键的问题在于需要实现点云与影像组成的多点云数据融合处理，而多点云数据的融合处理过程中，时空基准与精度一致性处理环节则是重中之重，一方面在确保影像数据精度达到适宜的精度水平基础上(一般应控制在 3 cm以内)，尽可能提高点云数据的配准精度，使精度水平控制在 2 cm以内；另一方面则应尽可能地提高点云数据与影像数据覆盖的公共区域，为融合处理的特征匹配提供尽可能多的面状特征因素，从而确保多点云数据的精确融合。

另外，目前主要是在较小的自然场景下的空地一体化测绘技术的应用开展研究工作，针对较大区域范围的自然场景下的技术应用研究还有待进一步开展。