［摘 要］ 无人机倾斜摄影可在短时间内快速获取地面可视化全景影像数据，尤其适合屋顶及地面数据获取；移动三维（3D）激光扫描可以灵活高效地获取地上地下一体三维激光点云及影像数据。本文通过空间同名异构公共点进行转换、匹配，进行激光点云与无人机倾斜数据融合，从而获取无死角的三维空间可视化数据，快速绘制规划竣工二维矢量线画图。结合具体案例，以三维激光点云为基准点云，对同名公共点通过平移、旋转进行点云配准获得融合点云，将获取的融合三维可视化数据与全站仪获取的坐标数据进行对比，分析融合数据的精度和影响因素供参考，为快速获取规划竣工所需矢量线画图提供新的途径。

［关键词］ 无人机倾斜摄影；移动三维（3D）激光扫描；全景影像；激光点云；数据融合；三维空间可视化；对比分析

引言

基于即时定位与地图构建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技术的移动式激光扫描设备可快速获取地上地下一体空间结构三维（three-dimensional，3D）可视化点云数据［1-3］。但受制于设备采集视角等影响，地面移动扫描设备无法获取屋顶等区域点云数据，但三维空间数据不够完整。无人机倾斜摄影通过新增多个不同角度镜头，可有效获取具有一定倾斜角度的倾斜影像［4-5］，尤其适合获取屋顶及地面数据，还原真实世界。

目前，地面三维激光点云与无人机机载点云数据融合已有专家进行研究［6-8，11，14］，但大部分局限于地面架站设备与无人机数据融合，地面移动扫描设备涉及较少。考虑移动扫描设备和无人机倾斜摄影的各自优势及互补性，将这两种方式获取的数据进行转换、融合，获得三维空间可视化归一数据。基于此数据，可以进行后续现状地物地貌、建筑物平立剖面图等的获取与绘制［9-10］。本文基于无人机倾斜摄影及徕卡移动背包三维激光扫描仪获取某幼儿园点云及影像数据，将无人机倾斜影像数据反演生成点云及照片，与背包点云和照片数据进行转换、融合获得幼儿园整体三维空间可视化数据，将此数据与全站仪获取的坐标及尺寸数据进行对比分析，验证了此数据的有效性和可靠性。

1 数据采集及处理

1.1 徕卡移动背包

徕卡Pegasus：Backpack移动扫描背包主要包括激光扫描仪、光线传感器、全景影像采集系统、惯性导航系统、控制系统、全球定位系统（global navigation satellite system，GNSS）、电源供应系统以及远程平板控制系统等［11］。Pegasus：Backpack外业数据采集过程主要包括设备安装、设备初始化、参数设置以及连续采集等。Pegasus：Backpack 分室内、室外及室内外结合三种作业模式，对于地上地下采用室内室外作业模式操作，首先进行设备初始化，以同步GNSS 时间，然后按照规划的线路行走即可［12-13］。

内业数据处理过程主要包括数据准备、坐标转换、轨迹解算及自动化处理（auto processin，autoP）等［8，11］。解算结束可以获得标准格式. las点云及全景影像数据，当然也可以对获得的点云数据进行去噪、校正、平滑等深加工［14-15］。

1.2 无人机倾斜摄影

倾斜摄影是近年来航测领域逐渐发展起来的新技术，通过新增多个不同角度镜头，获取具有一定倾斜角度的倾斜影像。无人机倾斜摄影是将航摄仪搭载到无人机上，通过控制一定的航高、重叠度等获取倾斜影像的过程。

采用倾斜摄影实景三维建模技术，在统一的空间参考坐标系下，基于分类的点云数据，采用影像融合和自动匹配技术，将倾斜影像自动匹配到相应空间的三维模型骨架上，从而快速生成实景三维模型数据［16-18］。

基于航摄影像、定位定姿系统（positioning and orientation system，POS）数据、像控数据，使用实景三维建模软件进行空三加密工作，进而生产实景三维模型，如图1所示。

图1 实景三维模型数据生产技术路线图

建立实景三维模型后，以mesh 格网h 面为基础，生成一点密度的点云数据，导出为标准格式.las［19-20］。

2 数据融合

无人机倾斜摄影反演生成的点云数据及移动三维激光扫描点云数据融合可采用两种方法：一种是绝对坐标转换方法，即将两种点云数据通过坐标转换换算至同一坐标系下，此时将两种点云复制到一体理论上即形成整体点云数据；另一种方法是以一种点云为主（目标点云），通过两种点云特征点校正、转换方式匹配到一起。点云数据融合精度受到点云质量、点云内部附合性等的影响，其精度不应低于点云本身数据质量。

上述两种方式理论上都是一种坐标转换形式，选择3 个以上的特征点将两种点云形成归一化点云［11，16］，通过平移、旋转和尺度矩阵统一到统一坐标系下，用式（1）表示。

式中，3 个平移参数[ΔX ΔY ΔZ]T，3 个旋转参数[εX εY εZ]T和1个尺度参数m，无单位。

3 矢量图绘制

以融合点云数据为基础，对点云进行去噪、抽稀、切片等［13，16］处理，借助软件Cloudworx 插件将点云导入到AutoCAD（autodesk computer aided design）、EPS（enterprise project server）等软件绘制线画图，快速获取规划竣工所需二维矢量图。

4 工程实例分析

某竣工幼儿园由1 幢3 层建筑物、地下车库及室外活动场地组成，测区西北侧为住宅小区，由高层及多层建筑组成，与幼儿园相邻的建筑物为3 栋多层建筑和1 栋小高层建筑，东侧为道路、绿化景观带，南侧为道路、绿化景观带。现需要对其进行地上—地下一体的综合竣工测绘，快速获取相应的规划竣工二维矢量线画图。

4.1 数据采集与融合

采用无人机倾斜摄影方式获取幼儿园及周边倾斜影像数据，结合幼儿园周边地形及现场条件，采用大疆M300 无人机，搭载D-OP400 倾斜模块，其中D-OP400 倾斜模块相机分辨率为2 400 万像素，电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）尺寸为35 mm×50 mm。用徕卡移动背包扫描获取幼儿园地面及地下真彩色点云数据。

由于无人机倾斜测量方式在靠近地面处会存在较大的畸变，故选取屋顶及以下一层三维模型反演的点云数据，以移动背包点云作为基准点云，选取6 个公共点采用（iterative closest point，ICP）算法［17-18］转换形成整体点云数据，点云融合中误差为5.3 cm。融合效果如图2所示。

图2 某幼儿园点云整体效果图

4.2 无人机获取点云与全站仪数据对比分析

由于无人机倾斜反演获取的点云数据密度低，相比移动背包获取的点云精度也偏低，离地面越近畸变越厉害。为验证获取的屋顶及以下一层点云数据的精度，均匀选取尺寸关系共10 处，与全站仪方式获取的数据进行对比分析，如图3所示。

图3 较差对比

距离及X、Y、Z 较差中误差分别为3.5、2.4、2.7、3.0 cm，无人机获取的屋顶及以下一层点云数据精度良好。

由于无人机倾斜摄影获取的数据距离地面越近位置畸变越厉害，与全站仪测量获取的数据相差较大。但屋顶及地面接近正射，故获取的点云数据精度较高，但其易受地面遮挡影响导致数据采集不全。再者，由于航高差异，无人机倾斜摄影方式获取的空地影像分辨率存在较大差异，在空三计算过程中会出现分层及大量丢片的问题，需要进行控制点的布设以便进行校正及检核。

4.3 移动背包点云与全站仪数据对比分析

以全站仪测量数据为基准，均匀选取地上地下共30处，求取移动背包点云数据与全站仪获取数据的较差，如图4所示。

图4 较差对比

徕卡移动背包激光扫描仪获取的点云数据与全站仪实测平面X 较差最大值13.30 cm、最小值0.6 cm，中误差7.77 cm；Y 较差最大值13.79 cm、最小值1.00 cm，中误差9.41 cm；高程较差最大值79.0 cm、最小值0.8 cm，中误差19.78 cm；距离较差最大值-46.00 cm、最小值0，中误差14.81 cm。

从图中可以看出，个别点高程及距离与全站仪数据较差比较大，可能与选取位置不同有关。另外，移动背包扫描过程中受现场环境（卫星信号质量、行走路线、狭小空间）等不确定因素影响较大。从现场情况看，涉及幼儿园西北角的一些坐标、内外间距关系统计超限较多，涉及幼儿园南部分的北侧、北部分西北侧、院内北侧地下出入口附近的坐标、高程、间距关系超限较多，可能与周边高楼较多、空间较为狭窄有关。在使用背包扫描过程中，尽量适当布设控制点以便对数据进行校正和检核。

4.4 线画图绘制

以融合后点云数据为基础，对点云进行切片等处理，借助AutoCAD、EPS 等软件绘制线画图，如图5、图6所示。

图5 幼儿园总平面图

图6 幼儿园南立面图

基于无人机倾斜影像与三维激光点云的融合数据可快速提取规划竣工所需的二维矢量图，比如综合竣工平面图、单体竣工平面图、建筑物立面图等，有效解决传统全站仪测绘方式效率低下、地下车库等难以测绘的难题。无人机倾斜摄影与移动背包点云数据的融合有效弥补了移动扫描获取建筑物屋顶、房檐及地面井盖等点云不全的问题，为规划竣工测绘提供了良好借鉴。

5 结束语

本文基于某竣工幼儿园规划竣工项目，分别采用无人机倾斜摄影及徕卡移动背包三维激光扫描仪获取其“点云+影像”数据，将无人机屋顶点云数据及移动背包点云数据进行转换、融合，获取幼儿园及其周边区域的整体点云，实现两种采集方式的优势互补。同时，将此数据与全站仪获取的坐标、尺寸数据进行对比分析，验证了此数据有效性和可靠性，并给出了具体的应用建议，为类似应用提供了借鉴。

倾斜摄影与三维激光点云数据融合在规划竣工测绘中的应用

胡玉祥1 周永生2 闫鲁雁1 尹相宝1 孟庆年1

（1. 青岛市勘察测绘研究院， 山东 青岛 266032；2. 青岛市不动产登记中心， 山东 青岛 266002；3. 青岛市地下空间地理信息工程研究中心， 山东 青岛 266032）

引文格式：胡玉祥，周永生，闫鲁雁，等. 倾斜摄影与三维激光点云数据融合在规划竣工测绘中的应用［J］. 北京测绘，2024，38（11）：1570-1574.

［作者简介］ 胡玉祥（1988—），男，山东潍坊人，硕士，高级工程师，研究方向为城市基础测绘及三维激光扫描数据处理。E-mail: yxhu_qdkcy@126.com

［通信作者］ 周永生，E-mail：1020905949@qq.com