基于Mesh模型和激光点云的高精度三维场景重建
吴国平 杨 坤 王亚栋
（北京四维远见信息技术有限公司， 北京 100070）
［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±0.17 m，北广场±0.12 m，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
0 引言
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方法的不断改进，实现对现实世界的高度还原［9-11］。目前，基于新型基础测绘手段的建模方法主要包括基于倾斜摄影［12-14］或基于激光点云［15-17］的三维场景重建方法，该方法已在大面积区域三维重建方面得到了广泛的研究与应用。文献［18］利用倾斜摄影测量，通过邻域窗口的对象级变化检测方法，实现了山西矿产资源的检测。实验结果虽然在一定基础上提高了露天矿变化检测的精度，但仅依靠单一方式的三维建模或多或少都会受到主观或客观因素的影响，造成识别精度提升受限。曾政祥等［19］通过融合倾斜摄影测量数据和车载激光点云数据，完成了城市级高精度建模技术。实验结果表明，激光点云数据和倾斜摄影测量数据可以实现有效互补纠正，为实景三维产品的生产创造价值。
综上所述，为实现高效率、精细化的城市实际场景还原，本文提出一种结合“三维激光+倾斜摄影+人工建模”的技术，通过结合背包三维激光数据、倾斜摄影测量数据和计算机视觉算法，高精度、精细化还原城市场景的外观和内部结构，完成城市实景三维模型精准构建。所构建场景模型不仅更加真实、具有较高的精度，还能够捕捉建筑物的细节和特征，如窗户、门廊、装饰等。这为城市规划、建筑设计、文化遗产保护等领域提供了宝贵的参考数据，并可以广泛应用于历史遗产保护领域、不动产实景三维模型领域、虚拟现实领域等［20］。
1 研究区与数据源
1.1 研究区
位于中国浙江省嘉兴市境内的嘉兴火车站，被誉为“森林中的火车站”，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一百周年的重要项目之一，标志着中国首个全下沉式火车站的建成。嘉兴火车站地块面积约0.15 km2，火车站总建筑面积约220 000 m2。研究区具体地理位置如图1所示。
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 实时动态载波相位差分技术（real-time kinematic，RTK）无人机，获取覆盖研究区室内室外点云数据和倾斜摄影数据，通过专业软件进行数据处理，最终形成研究区点云数据及倾斜模型。
研究区数据采集所用仪器如图2所示。
图2 数据采集所用仪器
2 研究方法
为获取研究区的高分辨率影像和点云数据，本文基于便携式激光雷达扫描和倾斜摄影测量技术进行建筑物及其场景的数据采集，并分别完成数据预处理、数据配准、数据精简等操作。最后，通过多源数据融合、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。
图3 技术路线图
2.1 点云模型构建
本研究使用轻量级三维激光移动扫描设备QS-A2 完成室内外点云数据的获取，室内部分点云路线如图4所示。
图4 室内部分点云路线
将获取的激光点云数据、影像数据进行数据处理，方法如图5所示。
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（position and orientation system，POS）轨迹解算，并根据解算的POS 轨迹，结合激光扫描数据，生成点云数据。经点云优化、点云纠正、点云着色，得到彩色点云，如图6所示。
图6 彩色点云影像
2.2 Mesh模型构建
基于大疆精灵4 RTK 无人机系统对研究区地块按照飞行高度100 m，地面采样距离（ground sampling distance，GSD）3 cm，航向重叠度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，通过坐标转换、软件处理、控制点平差等操作，完成影像空三处理。在空三质量检查完成后，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
由于城市环境的复杂多样，仅基于无人机航飞采集的倾斜摄影数据虽然可以获取大范围实际场景的倾斜影像，但航摄期间难免受到外部环境的干扰，造成构建Mesh 模型时出现模型的粘连、拉花等问题，对研究区三维模型结构细节造成负面影响。因此，可通过地面点云优化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确的轨迹线，通过无人机倾斜摄影测量构建密集匹配点云工程与地面激光点云数据的融合，完成研究区融合点云模型三角网的构建。在此基础上，根据倾斜摄影影像提供的建筑物顶面和立面上部纹理及地面影像提供的建筑物立面下部纹理，结合融合的研究区几何模型，最终完成研究区Mesh模型成果重建。
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；l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，Δ为真误差；n为观测次数。
3 结果与分析
3.1 模型精度评估
依据《三维地理信息模型生产规范》《三维地理信息模型数据产品规范》等的要求，本文从空间参考系、位置精度、表达精细度、场景效果、附件质量等方面来进行模型的质量评估。模型样本质量统计结果如表1所示。
表1 模型样本质量统计表（打分制显示）
注：由浙江省测绘质量检验中心出具质检报告。
本文模型空间参考系统采用2000 国家大地坐标系；位置精度通过外业实测统一检查；表达精细度为模型细节，主要表现为是否存在模型形变等问题；场景效果表达建模场景与真实场景的近似性；附件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求。
研究区三维地理信息模型误差具体评估情况如表2所示。
表2 模型误差评估情况表 单位：m
3.2 研究区三维模型
本研究利用激光扫描、无人机倾斜摄影测量等进行高精度数据采集，获取研究区场景中建筑物及其周围环境的几何形状和纹理信息，并通过数字化处理将其转化为逼真的三维模型。最后，通过专业建模软件进行建模和优化，实现城市场景结构与外貌的精确还原。研究区三维模型如图9所示。
图9 研究区三维模型
相较于仅依靠倾斜摄影的Mesh模型，本文引入激光点云数据可有效补充及纠正倾斜摄影过程中遇到的视野盲区，进行嘉兴站内数据获取，在一定程度上完善其他数据采集结果。由上图可以看出，本文基于倾斜摄影和激光雷达数据构建的三维模型，在具有完整、清晰、真实模型结构的基础上，整个研究区建筑、道路等场景轮廓、结构细节完整且美观，表现出较好的模型可视化结果。
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自的特点和优势，实现了研究区部件级高精度三维模型重建。采用主体精细建模方式生产的要素模型几何位置、大小尺寸、纹理样式与实地保持一致。建筑物室内外部件级三维模型分别如图10、图11所示。
图10 建筑物室内部件级三维模型
图11 建筑物室外部件级三维模型
4 结束语
为智能化、高效率反映城市局部精细化场景，本文结合激光点云技术和倾斜摄影测量技术完成了研究区的立体、直观、真实的数字孪生场景的构建，包含地上地下、室内室外精细化的部件级三维模型。本研究所采用的城市场景三维建模方法不仅可以在大场景下满足建筑物三维建模的精度要求，还可以显示模型局部的精细化结构特征，可以用于建筑设计、虚拟现实、可视化、城市规划、游戏开发等多个领域，可以为城市精细化管理、智慧城市建设和城市风貌保护等提供技术支撑。
参考文献
引文格式：吴国平，杨坤，王亚栋. 基于Mesh 模型和激光点云的高精度三维场景重建［J］. 北京测绘，2024，38（9）：1312-1316.
［作者简介］ 吴国平（1984—），男，山西吕梁人，硕士，工程师，从事地理信息及遥感领域工作。
E-mail： 273570771@qq.com
［通信作者］ 杨坤，E-mail：1776334080@qq.com
三维重建理论与技术发展综述
一种单张卫星影像三维重建建筑物的方法
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