三、项目实施
1.三维激光扫描测量
1-1.仪器简介
本次测量仪器为Leica Scanstation 2三维激光扫描仪（图F6-3），该仪器是一款脉冲式、高精度、快速三维激光扫描仪，它集多功能、高精度于一身，广泛地应用于市政工程、工厂规划、改建设计、建筑测量、文物考古等工程领域。
仪器的特点：
（1）双扫描窗口设计，扫描视场角360°×270°；
（2）内置数码相机与扫描仪同轴，能够自动获取扫描点云的颜色信息；
（3）扫描范围：1～300米；
（4）扫描速度：50000点/秒；
（5）50M测量距离点位测量精度小于6毫米：
（6）内置高精度双轴补偿器；
（7）扫描仪可以架设在已知点上；
图F6-3 Leica Scanstation 2三维激光扫描仪
（8）可用“QuicScan”按钮轻松定义测量范围；
（9）最小采样密度＜1毫米；
（10）标靶获取精度±1.5毫米，点云拼接精度＜2毫米；
（11）在明亮的阳光下和完全黑暗的情况下都能进行正常的操作；
（12）在开机和运行过程中定期实施测量精度的自我检测，保证数据的正确性。
1-2.测量计划
（1）现场测量
①采用内外景多次架站采集方式，保证实体数据的完整性；
②架站位置以相邻站点可互为视角为原则，获取的数据重叠大于30%；
③站站之间设置共用标靶，用于坐标传递和数据拼接：
④最小采样密度一般控制在2～5毫米，对重点部位控制在1～2毫米，共用标靶控制在1毫米：
⑤全部扫描过程均由一体化高分辨率数码相机进行同步记录。
（2）后期处理
①单站数据的检查和整理（在现场进行）：
②数据拼接，标靶的拼接精度控制在＜1.5毫米，点云的精度控制在＜2毫米；
③颜色信息校准及调整：
④漫游视频制作。
1-3.现场测量
山西省万荣县稷王庙的扫描测量工作：室内架设7个测站，保证了室内扫描数据的完整性，并应用“QuicScan”功能对室内顶面（木结构较为复杂）部分进行了精确扫描（即最小采样密度控制在1～2毫米）；室外架设7个测站，保证了外围墙体、屋檐和屋顶扫描数据的完整性，对屋顶装饰、屋檐和木结构较为复杂部分进行了精确扫描。由于局部实体内部光线不满足数码相机拍摄条件没有进行同步拍摄外，全部扫描过程均进行了同步影像拍摄。现场扫描测量工作时间2个工作日。（图F6-4至图F6-6）
1-4.后期处理
（1）在现场应用Leica Cyclone-Scan软件对单站数据进行细致的检查和整理，数据合格后再进行下一站的作业或结束作业。
图F6-4 Leica Scanstation 2三维激光扫描仪在稷王庙内作业
图F6-5 Leica Scanstation 2三维激光扫描仪使用的靶标
图F6-6 Leica Scanstation 2三维激光扫描仪在稷王庙大殿作业
（2）应用Leica Cyclone-Register软件对扫描数据进行拼接，把从不同的角度扫描得到的扫描数据拼接为一个完整的实体点云数据，其拼接方法基于扫描标靶、扫描公共点点云完成。标靶的拼接精度控制在＜1.5毫米，点云的精度控制在＜2毫米。
（3）对各站数码相机同步拍摄的影像的颜色信息进行校准及调整，使得在数据拼接的同时对影像的拼接也能在颜色信息保持一致。
（4）通过点云数据发布Leica Cyclone-Publisher软件进行漫游视频的制作，使得对点云数据可以进行浏览。
1-5.精度说明
点云的拼接精度可以由表F6-1进行简单的说明。
表F6-1 点云拼接精度说明表
2.近景摄测测量
2-1.设备及参数
本次项目使用了摄影测量控制点采集设备全站式电子速测仪、高分辨率单反数码相机、数字近景摄影测量系统及其它辅助材料等，相关参数如下：
（1）摄影测量控制点获取设备Sokia230R免棱镜全站仪 索佳Set230R全站仪可实现高精度、远距离无协作目标测距、反射片测距及棱镜测距。其测角精度为2秒；测距标称精度在单棱镜测程5000米，精度可达（2毫米±2ppm×D），反射片测程1.3-500米，精度可达（3毫米±2ppm×D），无协作目标测距范围0.3-350米，精度可达（3毫米±2ppm×D）。
（2）摄影设备：Nikon D5000单反数码摄影系统其摄影镜头焦距为24毫米，感光元件为CMOS，传感器尺寸大小为23.6×15.8毫米，总像素数为1230万像素，最高分辨率达4288×2848
图F6-7 稷王庙三维激光扫描点云透视图
（3）数字摄影测量软件系统 数字摄影测量软件系统所含模块主要有：数据预处理模块、相机检校模块、影像畸变差改正模块、工程管理模块、同名点匹配模块、光束法自由网平差模块、点云生成模块。
（4）三角架及标靶等其他辅助设备 采用三角架辅助数码相机进行照片拍摄：使用明显的标靶点确保像点坐标与控制点坐标的对应关系精确无误。
2-2.工作计划
本次测绘工作分为外业数据获取和内业数据处理两个部分。外业数据获取需要至少两名人员即一名相片拍摄人员和一名外业控制点测量人员，每个项目的外业计划用时1个工作日，外业工作需要在光线充足的条件下进行。内业数据处理需要一名熟练使用数字摄影测量软件及掌握纹理映射方法和数字图像处理技术的专业人员，约用时5个工作日，内、外业共计约需6至7个工作日。
近景摄影测量作业技术路线如下：
前期工作非量测相机检校→现场测量原始数据的获取→数据处理创建工程文件→相片畸变纠正→全自动匹配与转点→构建测区自由网→量测控制点→光束法平差→密集匹配生成点云→点云编辑→生成DEM→DEM编辑→纹理映射→正射影像（DOM）图生成。
2-3.前期工作
前期工作其中一个重要的内容为非量测相机的检校，其主要步骤为：
（1）拍摄控制场或LCD检校影像
（2）半自动量测像控点
（3）平差解算相机内方位元素
2-4.现场测量
现场测量是通过近景摄影技术手段，获取被摄实体的原始测量数据。现场测量数据的获取分为四个步骤（如图F6-8至图F6-10）：
（1）根据摄影条件和被测对象的规模、形态确定相片控制点的大小及分布并严格按照摄影测量的要求进行布设及测量。
（2）根据摄影成图的要求合理选取摄影镜头并进行检校，以便纠正因镜头畸变引起的测量误差。
（3）假定工程坐标系统，使用全站仪测量相片控制点坐标。
（4）按照固定的基线长度，控制摄影机的拍摄角度拍摄照片。
2-5.数据处理
（1）相片畸变纠正 根据相机参数纠正相片畸变。
图F6-8 近景摄影测量控制点
(https://www.daowen.com)
图F6-9 稷王庙近景摄影测量作业一
图F6-10 稷王庙近景摄影测量作业二
（2）创建工程文件 创建测区工程文件主要步骤为：
a.导入测区影像，接受影像格式为：*.JPG、*.BMP、*.TIF。
b.填写总航带数，依次从左边的影像文件列表中加载对应航带的影像。
c.填写空三匹配格网数范围，填写加密匹配格网数范围。
d.输入相机参数。
e.保存退出。
（3）全自动匹配与转点 全自动匹配前需要人工添加航带内影像和航带间影像的种子点，种子点用于提高匹配速度与可靠性，相邻影像间只需人工给定一对概略种子点。
种子点添加完毕开始进行程序的全自动匹配与转点。
（4）构建区域自由网 匹配与转点完毕之后构建整个测区的自由网。首先构建单航带自由网，然后是航带拼接生成测区的自由网。
（5）量测控制点 控制点量测的目的是在影像上精确量测控制点的坐标。
控制点量测的主要步骤：
a.引入控制点文件；
b.量测测区四角控制点；
c.自由网+控制点平差；
d.预测控制点（蓝色显示）；
e.量测预测出来的控制点，可以采用多像片量测或者是立体量测的方法。
（6）光束法平差 光束法平差是利用已经构建起来的自由网结果以及控制点来进行绝对定向。
（7）密集匹配生成点云 密集匹配是在空三加密完成的基础上进行的，操作与全自动匹配一致，不同的是密集匹配不用添加种子点。
点云是利用空三加密得到的外方位元素，加上密集匹配生成的点，多片前交生成点云。
（8）点云编辑 生成的点云数据易受环境和系统等因素的影响，如相机抖动、运动物体干扰等，影响点云数据的质量，导致噪音数据点的产生，有时可能产生不属于扫描实体本身的数据导致冗余数据。为提供可靠精确的点云数据进行模型重建，提高最终结果的稳健性，需要对点云数据进行去噪和平滑操作。
对于比较明显的噪声数据如突起点（spikes）或孤立点（isolated points），这些点一般都是孤立于点云数据之外，可以采用软件自动剔出，也可采取手工删除的方法剔除孤立点（isolated points），可利用矩形框选或任意多边形选择工具剔除这些点（如图F6-11至图F6-13）。
图F6-11 手动删除噪声数据图
图F6-12 自动剔除噪声点（红色）示意图
图F6-13 进行点云平滑时找出的粗差点（红色）
点云数据在采集时还可能产生少量的随机误差，需采用平滑方法对随机误差进行平均，得到比较光滑分布的点云。对于各类古建筑，它们经过几百年的历史沧桑，历经风吹雨打，沉淀了很多灰尘，有些黏漆已经脱落和剥皮，或者本身的影响、环境的因素等等，致使获取的古建筑点云会受到不同程度噪声的干扰，为保证后续数据处理的稳健性，对点云数据的平滑去噪过程必不可少，其重要性也显而易见。如图5-4-13所示，使用我们的方法在敏感度为45%的情况下剔除出的粗差点——红色标示的点云。
（9）DEM生成 通过摄影测量软件匹配和点云生成功能得到一系列规则排序的点的三维坐标，但离散点并不能有效地再现实物的表面，需要立体模型的重建，重现出具有完整结构和精确空间位置信息的实体模型。几何模型的制作主要包括点云数据预处理和几何模型重建这两个方面内容。数据预处理的原则是在不影响重构的模型精度的前提下，大幅度减少数据并使之光顺。优化的数据预处理过程，可以保证后期重构过程能够有可靠精确的点云数据，从而不仅提高模型重构的精确度，更可以降低重构过程的复杂度，提高速度。数据预处理过程有不同视点数据的配准、点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的区域分割、残缺数据的处理，而模型重建过程则包含三维模型的重建、模型重建后的平滑和模型简化（如图F6-14、图F6-15）。
图F6-14 原始点云生成的三角网模型
由于密集匹配生成的点云存在一定的粗差，为了提高DEM的精度，在生成DEM前要对点云进行编辑，剔除一部分的粗差点。粗差点剔除完成之后构建不规则三角网（TIN），由不规则三角网内插生成DEM。
（10）DEM编辑 为了进一步提高正射影像的精度，需要立体编辑DEM。DEM编辑使用的软件是全数字摄影测量系统VirtuoZo NT。
DEM编辑的主要作业流程：
①建立测区建立：测区文件，输入控制点及相机文件。
②建立立体模型：由于近景摄影的影像重叠度较大，所以在重叠度参数中填写百分之百重叠。
③模型定向：
a.相对定向 由于近景摄影所得到的相邻像片旋片较大，程序自动匹配的点精度较差，所以在做相对定向时采用全人工加点的方式。加点的时候保证点在像片上均匀分布，尽可能多加点。
b.绝对定向 由于空三加密已经完成，所以绝对定向直接用已有的外方位元素进行定向即可。
④核线重采样：定向完成之后进行核线重采样，生成核线影像。
⑤立体编辑DEM：调用DEMEdit模块，进行立体编辑DEM。
（11）纹理映射 纹理映射技术是指利用事先获得的纹理图像，确定三维景物表面的点与纹理图像中像素点的映射关系，按一定的算法将纹理图像映射到三维景物上。纹理映射主要解决映射关系的确定和纹理的反走样处理，以用较少的时间和空间代价，取得高度真实感效果的三维景物。
在摄影测量学中，这种映射是基于共线方程的，其原理如图F6-16所示：
图F6-15 经过补洞操作后生成的完整三角网模型
三角网模型上某一点P经透镜中心映射到数字影像上某一点P，这两个对应点分别在各自的坐标系中，把它们联系到一起的即是P点、P点和透镜中心在一条直线上，这就是共线方程。
在按照片划分图生成的高、低分辨率三角网模型的基础上，结合外业获取的高分辨率数字图像就可以进行纹理映射生成单块的彩色三角网模型。首先在高分辨率模型和数字图像上分别选定至少4对同名点，由于二者的精度都比较高，依纹理映射原理计算的结果误差就比较小，而且多余同名点也可进行联合平差以减少误差。同名点选取过程如图F6-17所示。
虽然是在高分辨率模型上选取同名点，但由于计算机软硬件在三维模型可视化方面的限制，还是需要将数字图像上的纹理映射到低分辨率模型上，最终获得的彩色三角网模型是由低分辨率模型和数字图像构成的。稷王庙南面的一块彩色三角网成果如图F6-18所示。
（12）正射影像（DOM）图生成 一般认为正射影像是指将中心投影的像片，经过纠正处理，在一定程度上限制了因景深起伏不同引起的投影误差和传感器等误差产生的像点位移的影像。
本次项目最终生成的稷王庙大殿主体建筑正面正射影像如图F6-19所示。
2-6.精度说明
（1）稷王庙大殿正面控制点（1～9号点）精度检查点（h1～h10号点）分布图如6-20。
（2）稷王庙大殿正面DOM精度报告见表6-2。
表F6-2稷王庙大殿正面DOM精度报告
作为一项新的测量技术，与其相关的测量成果的精度评定、误差理论及误差模型的研究，以及测量方法的研究等，目前都还在探索过程中。到目前为止，对近景摄影测量所获取的点云数据的测量成果精度评定，还没有形成成熟的、通用的方法体系及评价理论体系。本次测量的精度评定采用传统的办法，即以目前已经非常成熟的全站仪测量值为真值，与数字摄影测量所测结果进行比较，按照测量中误差的计算方法进行评定。抽样10对点进行精度比较，并计算中误差。确定本次测量成果精度整体能够保持在2厘米。
数据成果质量的控制：
①按照IS09001︰2000质量体系文件的要求，对测绘过程的各道工序实行质量控制。
②严格执行相应的技术规范和项目要求，执行事先指导、中间检查和成果审核的管理制度。
③测绘成果按照国家测绘局发布的《测绘产品检查验收规定》（CH1002-1995），执行三级检查验收制度。
图F6-16 数字图像与三角网模型配准原理
图F6-17 同名点的选定
图F6-18 一块彩色三角网模型（透视效果）
图F6-19 生成的稷王庙大殿建筑正面正射影像
图F6-20 稷王庙大殿正面控制点（1～9号点）精度检查点（hl～h10号点）分布图
④观测所使用的仪器、设备都经过相关质量检测部门的检测，并经常性地进行必要的检查和复核，以保证在整个测量过程中，仪器的各项性能指标处于良好状态，确保观测数据的可靠性。
⑤按要求对测量所使用的控制点进行认真的检查和复核，保证基准数据成果的正确和稳定。
⑥项目组检核贯彻项目始终和每个方面；作业队检查：外业检查、内业检查；公司检查：对项目的组织施工、人员、设备及报告编写进行检查，对项目进行验收。