基于激光雷達(dá)技術(shù)在城市三維建筑模型中的分析應(yīng)用

田奇丁 陸玉明 宗婷婷 張 蓓 孫 濤

（河南省地礦局測(cè)繪地理信息院，河南 鄭州450006）

1 引言

數(shù)字城市，是指運(yùn)用測(cè)量、遙感、電腦網(wǎng)絡(luò)、多媒體及仿真-虛擬技術(shù)等對(duì)城市的全部基礎(chǔ)設(shè)施、功能機(jī)制進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理、輔助決策及大眾服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)。這種功能的實(shí)現(xiàn)需要各方面數(shù)據(jù)的支撐，真實(shí)可量測(cè)的三維景觀模型數(shù)據(jù)是其中很重要的組成部分。通過機(jī)載激光雷達(dá)和數(shù)字航空攝影測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，表達(dá)城市物體的三維模型，包括三維地形模型、三維建筑模型、三維管線模型。這些三維模型是數(shù)字城市重要的基礎(chǔ)信息之一，因此城市三維建模的技術(shù)和方法研究是基礎(chǔ)地理信息行業(yè)的熱點(diǎn)并且逐步成熟，目前已有的三維建筑建模技術(shù)多種多樣。該方法精度高、速度快、可量測(cè)、多應(yīng)用，對(duì)數(shù)字城市的建立與完善具有巨大的推動(dòng)作用。

其中傳統(tǒng)的城市三維建筑模型的建立方法主要有：

（1）根據(jù)數(shù)碼影像人工建模；（2）采用規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)碼影像；（3）全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。

2 激光雷達(dá)技術(shù)在三維建筑模型中的應(yīng)用

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)原理簡(jiǎn)介

機(jī)載 LiDAR（Light Laser Detection and Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。作為一種先進(jìn)的測(cè)量手段，其快速采集高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)碼影像的特點(diǎn)，必將為建設(shè)工程行業(yè)帶來新的技術(shù)革命。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。其中主動(dòng)傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測(cè)目標(biāo)高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動(dòng)光電成像技術(shù)可獲取探測(cè)目標(biāo)的數(shù)字成像信息，經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個(gè)地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果［1］。

2.2 基于LIDAR的三維建模技術(shù)

LIDAR大致分為機(jī)載和地面兩大類，其中機(jī)載激光雷達(dá)是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，可以測(cè)量地面物體的三維坐標(biāo)。機(jī)載LIADR是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，它集激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元差分定位技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大的突破，未獲取高時(shí)空分辨地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。機(jī)載LIDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)據(jù)地面模型（DTM）、等高線圖。可以根據(jù)建模的目的對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，提取建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)建筑物點(diǎn)云進(jìn)行編輯、規(guī)則化、修正等一系列處理步驟，從中提取出精細(xì)的建筑物模型。

2.3 數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

結(jié)合采集原始的數(shù)據(jù)，進(jìn)行GPS／IMU聯(lián)合解算，可以得到掃描儀及相機(jī)曝光瞬間的WGS84坐標(biāo)下的軌跡文件，進(jìn)而快速確定激光點(diǎn)云的空間位置及影像的外方位元素。若需轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系統(tǒng)，則通過一定的方法進(jìn)行平面與高程的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。最后對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行分類、排除飛點(diǎn)和柱狀地物點(diǎn)，提取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.4 三維建筑模型建模

LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)建筑物特征矢量數(shù)據(jù)融合：LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)與建筑物特征矢量數(shù)據(jù)的融合主要是將立體采集的特征線和LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加。（使用LIDAR數(shù)據(jù)商業(yè)處理軟件，可以快速將地面數(shù)據(jù)與非地面數(shù)據(jù)分離，得到純地表數(shù)據(jù)，生成DEM；初始的影像外方位元素一般達(dá)不到精度要求，利用純地表數(shù)據(jù)對(duì)影像外方位元素通過尋找同名像點(diǎn)的方式進(jìn)行校正，可以快速生成DOM。DEM和DOM疊加在一起的三維地形模型，能夠清晰地表達(dá)地形的高程信息及紋理信息，從而反映真實(shí)三維地形信息。）用采集的建筑物邊線代替激光點(diǎn)云構(gòu)成的不規(guī)則建筑物邊線，使建筑物邊緣整齊一致。由于點(diǎn)間距設(shè)置的不同，激光掃描儀采集到的建筑物點(diǎn)云，不能完全表達(dá)建筑物的輪廓，最后將房屋邊緣不整齊，大多呈現(xiàn)鋸齒狀進(jìn)行修整，還原城市建筑原貌［2］。

3 紋理數(shù)據(jù)獲取

LIDAR航空攝影測(cè)量的技術(shù)手段可以快速高效地獲取高精度的建筑物的三維結(jié)構(gòu)，但無法獲取建筑物的紋理，因此，其紋理的獲取需要通過傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量或傾斜攝影測(cè)量來自動(dòng)提取，或采用人機(jī)交互獲取建筑物紋理。在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用兩者相結(jié)合的方式來進(jìn)行。

3.1 LIDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)

通過對(duì)LIDAR系統(tǒng)采集到的LAS文件進(jìn)行處理，可以得到精細(xì)的三維模型，配合攝影系統(tǒng)來完成紋理數(shù)據(jù)采集和處理，將新型的LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)和傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同完成三維模型的精細(xì)加工。

a.LIDAR點(diǎn)云生成三維模型。

b.利用外業(yè)控制數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)完成空中三角測(cè)量。

c.結(jié)合LIDAR點(diǎn)云生成的三維模型和航空影像及其空三成果，自動(dòng)從航空影像中提取建筑物紋理數(shù)據(jù)，生成三維模型。

3.2 LIDAR結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)

LIDAR技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合可以同時(shí)采集地面店云和傾斜影響數(shù)據(jù)，利用LIDAR點(diǎn)云分離獲取建筑物模型，利用傾斜攝影測(cè)量傳感獲取建筑物頂面及側(cè)面紋理，自動(dòng)生成建筑物三維模型。

a.LIDAR點(diǎn)云生成三維模型。

b.將傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，生成LIDAR數(shù)據(jù)客套和的加密成果。

c.疊加從LIDAR處理步驟中得到的三維模型輪廓數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取建筑物頂部和側(cè)臉紋理并建立模型。

紋理影像的內(nèi)、外方位元素的獲取方式，可以采用與正攝獲取的影像相同的方式，即結(jié)合GPS偏心分量、IMU／GPS聯(lián)合差分解算，以及相機(jī)的偏心分量，得到紋理影像的原始外方位元素。獲取的影像為中心投影，存在畸變差，傾斜攝影更甚。因此，紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點(diǎn)之間不能精確一一對(duì)應(yīng)，為減輕后期紋理粘貼工作的難度，采用后方交會(huì)的方式對(duì)紋理影像進(jìn)行幾何糾正，即找正射影像與紋理影像的同名點(diǎn)，達(dá)到紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的目的。

利用專業(yè)軟件，便可進(jìn)行紋理面的選擇、勻光處理等，將最能準(zhǔn)確、真實(shí)反映建筑紋理信息的影像映射在對(duì)應(yīng)的模型上，以達(dá)到反映建筑現(xiàn)狀及城市現(xiàn)狀的目的。城市高樓密集，因此航空紋理影像難免出現(xiàn)遮擋和陰影，可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行處理，還原真實(shí)的建筑物紋理。

4 三維激光掃描測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

4.1 LIDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)可以全自動(dòng)獲取精準(zhǔn)建筑物結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)提取建筑物頂部紋理。

4.2 采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。

4.3 具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，這項(xiàng)技術(shù)輸出格式可以直接與CAD、三維動(dòng)畫等工具軟件接口［5］。

5 基于航空影像的三維建模技術(shù)

以DMC航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源對(duì)廊坊市規(guī)劃區(qū)內(nèi)進(jìn)行城市三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)，利用DMC航空影像數(shù)據(jù)處理、DEM及三維模型的生產(chǎn)流程相關(guān)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、框架數(shù)據(jù)采集、模型紋理照片采集與制作、精度評(píng)定與分析等。建立DMC航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行城市三維建模的技術(shù)方法與流程，包括空三加密、DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、框架數(shù)據(jù)采集、紋理制作、模型制作等；最后，對(duì)廊坊市規(guī)劃區(qū)的三維模型數(shù)據(jù)中建筑物的特征點(diǎn)及代表性線段進(jìn)行了平面點(diǎn)位精度與距離精度的評(píng)定，分析影響三維模型精度因素。

6 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維的城市信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足信息時(shí)代的需求，將三維空間信息完整呈現(xiàn)已成為社會(huì)發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此對(duì)快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活提出了更高的要求。利用激光雷達(dá)技術(shù)采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，可以達(dá)到房屋建模速度快，高程精度高，適用范圍廣，外也少，紋理映射自動(dòng)化程度高，但在高樓林立，植被茂密的地方，還是需要地面補(bǔ)拍。建成的模型，在具有精度搞得同時(shí)，其數(shù)據(jù)量相對(duì)的也比較大，常用的瀏覽軟件運(yùn)行速度慢。大范圍的真實(shí)的三維紋理模型的快速瀏覽、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸?shù)榷际怯写鉀Q的技術(shù)難題。

能夠滿足分析與量測(cè)需求，適合大規(guī)模數(shù)字城市建設(shè)。