基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的城市三維模型構建

向云飛，余代俊，張　兵，楊　驍

(成都理工大學　現(xiàn)代工程測量技術及應用研究所,四川 成都 610059)

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基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的城市三維模型構建

向云飛，余代俊，張兵，楊驍

(成都理工大學現(xiàn)代工程測量技術及應用研究所,四川 成都 610059)

針對傳統(tǒng)建模方式建模效率低、模型紋理不夠豐富真實等缺點，闡述一種以機載Lidar技術來獲取地面點高精度的三維坐標、用傾斜攝影測量為三維建模提供紋理的一種新興的三維建模方式。實驗表明，該建模方式不僅工作效率高、真實反應城市空間布局，而且定位精度高、具備可量測分析功能等，同時提供DOM,DEM,點云數(shù)據(jù),傾斜影像等數(shù)據(jù)。

機載Lidar； 傾斜攝影； 三維建模； 紋理； 實景

隨著“數(shù)字城市”概念的提出，越來越多的城市提出要構建“數(shù)字城市”，這將成為未來城市管理的新手段。“數(shù)字城市”能更好方便城市的交通規(guī)劃、城市管理以及城市信息查詢等，而三維實景城市的構建是“數(shù)字城市”構建的一項基本內(nèi)容。城市三維模型已廣泛應用于城市環(huán)境監(jiān)測、城市變化監(jiān)測、應急決策等領域，建立高精度的數(shù)字城市模型顯得尤為重要[1]。三維建模的技術從傳統(tǒng)的三維建模發(fā)展到基于攝影測量技術的三維建模、基于傾斜攝影測量技術的三維建模。采用何種建模技術直接影響到三維城市的建模精度和城市空間布局展現(xiàn)真實度，故需要對建模技術不斷研究。本文闡述一種以機載Lidar為獲取城市三維坐標的手段，傾斜攝影測量獲得傾斜影像做為模型紋理的三維實景建模技術。

1　幾種建模方式的介紹和對比

近些年，隨著空間信息技術的發(fā)展和數(shù)據(jù)源的多樣化，建模的技術一直在發(fā)展。每一種建模方式都相對于之前的建模方式有很大的發(fā)展，同時也有自身的不足之處，隨著“數(shù)字城市”的發(fā)展，需要尋求建模速度更快、效果更好的建模方式。從數(shù)據(jù)源建模方式可以大概分為3種：傳統(tǒng)建模方式、基于攝影測量技術的建模方式、基于傾斜攝影測量技術的建模方式。

1.1傳統(tǒng)建模方式

傳統(tǒng)建模方式依靠城市的二維矢量圖，在建模精度要求不高的情況下，依據(jù)高度輔助數(shù)據(jù)建立建筑物白模型，通過人工拍攝的方式獲得各種地物的特征紋理，并對其進行美化處理，再在建模軟件中將處理過的紋理映射到相應的白模型上，來實現(xiàn)三維建模[2]。

不足：缺少建筑物的頂部信息，頂部不能很好的表達；且大部分建筑物建模時，高度往往根據(jù)樓層高度推算，精度不能達到要求；由于依靠城市二維矢量圖，而某些新建或變遷地區(qū)的二維矢量圖的缺失會影響該地區(qū)的建模。

1.2基于攝影測量技術的建模方式

基于攝影測量技術的建模方式是通過航拍獲取同一地物不同視角的多張具有重疊度的影像，然后重建地物立體幾何模型[3]；利用一個立體像片對，恢復內(nèi)、外方位元素，最終完成影像的內(nèi)定向和絕對定向，實現(xiàn)DLG制作；最后結合立體像對和DLG制作三維模型。

不足：由于某些建筑物比較復雜和建筑物之間的陰影、遮擋等原因，進行影像匹配的時候會存在誤差；重建工作量較大，“自動化”程度比較低[4-5]。

1.3基于傾斜攝影測量技術的建模方式

傾斜攝影測量技術是利用飛行平臺搭載多個傳感器，分別從垂直、傾斜等角度獲取地面同一地物的不同影像[6]?；趦A斜攝影測量技術的建模方式，是通過專用的軟件對獲得傾斜影像進行處理，從而對地面場景進行重建。

不足：不能將某些建筑物模型從城市三維模型中單獨分離出來，不能滿足對單個建筑物分析管理的需要；對于機載Lidar技術獲得高精度三維點位坐標來說，精度相對較差；不能為城市提供數(shù)字高程模型。

通過3種建模方式的原理介紹，將幾種建模方式進行對比，可以看出目前的幾種建模方式都不具備快速建立高精度、實景城市模型的特點。故需要探索一種新興的建模方式滿足城市建模的需求。

2　建模方式

2.1建模方式的介紹

本文結合機載Lidar和傾斜攝影這兩種測量技術，闡述一種新興建模方式，該建模方式能利用機載Lidar快速大面積地獲得城市地物的高精度的三維點位坐標[7]，通過高精度的三維點位坐標——點云來建立城市三維模型的白模型；同時，利用傾斜攝影測量來獲得同一地物的不同影像，可以獲得城市地物的豐富紋理，然后通過映射技術將紋理映射到城市三維模型上。該方式結合激光雷達技術和傾斜攝影技術的一站式三維實景城市解決方案，能直觀真實地體現(xiàn)城市現(xiàn)狀。

2.2技術特點

該建模方式具有以下技術特點：①快速獲取大范圍地物空間信息及多角度影像信息；②反映城市真實三維地形情況；③模型要素全面、細節(jié)豐富；④模型定位精度高，滿足1∶1 000測圖要求；⑤建筑模型具備可量測精度——高程精度優(yōu)于30 cm；⑥城市紋理真實，實現(xiàn)真正的實景三維城市建模；⑦技術效率高、周期短——5個月完成中等城市采集、建模；⑧基于三維實景城市進行量測、分析應用；⑨提供城市三維模型，DOM，DEM，點云數(shù)據(jù)和可量測的影像庫。

3　三維城市模型的重建

3.1技術流程

基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影測量的城市實景三維建模是一種新型的建模方式，該建模方式以Lidar技術做為獲取地面點高精度三維坐標的手段，通過傾斜攝影獲得的傾斜影像為建立的白模提供紋理。該建模方式的技術流程如圖1所示。

圖1　三維城市建模技術流程

3.2地面建模

地形模型作為底層支撐著整個城市三維模型，其他三維模型都是放置在地形模型之上。建好地形模型不僅能避免與建筑物模型交錯，并且地形模型的精度直接影響到城市的空間分析。故建立好地形模型非常重要，利用本文的方法進行地形三維建模，首先將原始點云數(shù)據(jù)進行濾波，得到城市地面點，如圖2所示。

對原始點云濾波后只剩地面點，剔除建筑物與植被點后形成數(shù)據(jù)空洞，因此，需要對濾波后的點云進行數(shù)據(jù)內(nèi)插?？紤]到地形精度及方便以后編輯，根據(jù)距離權重方法將地面點內(nèi)插成1 m×1 m的規(guī)則格網(wǎng)。

為實現(xiàn)對地形模型的有效管理，實際生產(chǎn)中需要對地形模型對象化，將DOM和規(guī)則格網(wǎng)按一定的圖廓進行劃分，劃分在同一個圖廓歸屬為一個對象。本次采用500 m×500 m的圖廓對DOM和規(guī)則格網(wǎng)進行劃分。將劃分后的DOM和規(guī)則格網(wǎng)疊加到三維平臺軟件Skyline中生成地形三維模型，如圖3所示。

3.3建筑物建模

建筑物是城市三維模型的主要元素，考慮到后期的模型編輯和更新，將模型制作為單體線框模型，同樣以面向?qū)ο笮问綄ζ溥M行管理。從分類后點云提取建筑物點云，并將空間定位過的傾斜影像一并導入計算機輔助軟件MicroStation中，在軟件中實現(xiàn)分別含有點云數(shù)據(jù)和傾斜影像的2個視圖窗的聯(lián)動。點云雖有高精度坐標，但是建筑物輪廓描述有限，因此需根據(jù)影像勾勒出建筑物的輪廓。

圖3　地形模型

因高層建筑有投影差，根據(jù)影像勾勒出建筑物輪廓與實際坐標有細微差別，此時需按點云數(shù)據(jù)將輪廓移動至點云邊界。建筑物輪廓信息不能建模，還需要高程和建筑物的高度信息。機載Lidar技術不僅能獲取建筑物頂部的點云數(shù)據(jù)，還能獲得側(cè)面和地面點的點云數(shù)據(jù)，故在軟件中對建筑物立面剖分，然后根據(jù)頂部和地面點的點云數(shù)據(jù)確定建筑物的高度，如圖4所示。

在MicroStation中，模型已經(jīng)初見雛形，但是一些模型細節(jié)在該軟件中還不能表現(xiàn)，需將其導入到3DMax中進行模型的精編輯。如制作建筑物的女兒墻，首先將模型轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，然后根據(jù)點云數(shù)據(jù)量測女兒墻的高度和寬度，最終在3DMax中擠壓成型，如圖5所示。若建筑物含建筑物底層的底層商鋪，則需通過人工拍攝的方式在3DMax中完成紋理貼圖；若無，可將其直接導入到CixMo模塊。

在CixMo模塊中打開模型，同時加載影像列表，則該模型對應的影像將全部顯示在列表中。查看影像列表，如有重影的影像，可用Photoshop對其進行簡單的處理。由于傾斜攝影獲得同一地物不同角度的影像，而在系統(tǒng)開發(fā)時考慮該特點，因此選擇紋理自動映射時，系統(tǒng)會分配角度最好的影像映射到模型上，紋理自動映射過程如圖6所示。

圖4　確定模型高程及高度

圖5　用3DMax進行模型精編輯

圖6　紋理自動映射過程

上述過程為一幢建筑物單體線框形式的建模過程，根據(jù)此方法可構建整個城市的每幢建筑物的三維模型。

3.4模型整合

城市除建筑物之外還有很多其他模型，若每個模型都是一個單獨文件，當重新加載模型時，須加載每個文件。為方便管理和維護，需將模型導入3DMax中進行整合，而該軟件并非三維模型平臺軟件，對模型加載能力有限，一次只能加載1～2 km2。對每個區(qū)域的模型加載完成之后另存一個文件，最后將所有文件加載到三維平臺軟件Skyline中，圖7為整個城市的三維模型。

圖7　城市三維模型

4　結束語

實踐表明，利用機載Lidar技術和傾斜攝影結合起來建模，能快速大范圍的獲取城市的三維空間信息和多角度影像信息，能真實的反應城市的三維空間布局。相對于傳統(tǒng)建模來說，克服了傳統(tǒng)建模效率低、模型紋理不夠豐富等缺點；同時構建的模型要素全面、細節(jié)豐富，又具有可量測、分析的功能。在獲得城市的三維模型，提供DOM,DEM,點云數(shù)據(jù)、多角度傾斜影像。該種建模方式實現(xiàn)的三維城市模型，能夠為“數(shù)字城市”提供很好的城市信息平臺，實現(xiàn)城市的城市管理和城市信息查詢等功能。

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[責任編輯：李銘娜]

The construction of 3D city model based on lidar data and tilt photography

XIANG Yunfei ，YU Daijun，ZHANG Bing，YANG Xiao

( Modern Engineering Measurement Technology and Application Research Institute，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059, China)

The traditional modeling method has low efficiency and inadequate. This paper expounds an airborne lidar technology to obtain the ground point and high precision of three-dimensional coordinates, and uses oblique photography measurement to form the texture. It is a new way of 3D modeling.Experiments show that the modeling method is not only of high efficiency with real urban space layout, also of high positioning accuracy and measurable analysis function. At the same time it can provides the DOM, DEM, point cloud data, and tilted image data.

airborne lidar； oblique photography； 3D modeling； texture； live

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.12.013

2015-09-08

向云飛(1990-)，男，碩士研究生.

P237

A

1006-7949(2016)12-0065-05