基于LiDAR和傾斜攝影測量技術的實景三維自動化建模方法

楊明軍 康冰鋒 韓丹

摘 要：本文根據國內外現有激光雷達掃描技術和傾斜攝影技術，通過先進設備引進和技術研發，提出了基于LiDAR點云數據的建筑物白模制作自動化、基于SWDC-5傾斜影像空三加密快速化和建筑物紋理貼圖自動化的技術路線，實現了大規模快速、高效、精確的實景三維建模生產。

關鍵詞：機載激光點云 傾斜攝影 白模制作自動化 紋理貼圖自動化 實景三維建模

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0093-04

Abstract：Based on the technologies of Airborne laser-scanning and oblique photogrammetry， with the import of advanced equipment and technology research， this paper puts forward a new technical route of building white model automatically based on LiDAR point cloud data， implementing aerial triangulation quickly based on SWDC-5 images and mapping texture automatically. With this method，a large-scale， fast， efficient and accurate 3D modeling production is realized.

Key Words：Airborne laser point cloud； Oblique photogrammetry； Building white model automatically； Mapping texture automatically； Modeling of Real 3D

近年來，隨著3S（GIS/RS/GPS）技術、虛擬現實、航空與航天技術以及互聯網技術、計算機技術等的飛速發展，城市三維建模方法經歷了從傳統人工建模到新一代全自動數字測圖的階段，同時，數字城市、智慧城市的建設對城市三維建模在精度與時效性上提出越來越高的要求[1]。傳統的建模方法存在數據采集效率低、生產成本高、建模周期長、建模精度不能保證等問題，無法滿足智慧城市建設及當前各類市場應用的高質量快速建模需求。面對海量的城市地理信息數據，只有滿足高度自動化建模，才能在短時間內提供可分析的城市模型，具有時效性，才能真正應用于智慧城市。而日益成熟的激光雷達掃描技術和傾斜攝影技術使得大范圍快速、高效、精確的實景三維建模成為可能。

當前的實景三維建模技術主要包括以下幾個方面。

（1）航空攝影/傾斜攝影結合立體采集方式的三維建模技術：這種方式通過對正視影像進行空三處理、建筑物三維矢量信息采集并建模、模型采用傾斜影像或紋理照片進行貼圖的方式。這種方式建模精度高、細節豐富，模型單體化，便于后期編輯和管理，但自動化程度低、耗時長且費用昂貴，無法進行大范圍的快速實景三維建模[2]。

（2）傾斜攝影自動化建模技術，其數據獲取包括兩種方式：使用多鏡頭傾斜相機采用定點同時曝光獲取地物頂面、立面的紋理影像[3]；使用A3相機進行交叉飛行，兩個鏡頭圍繞中心軸作最大可達109°擺角的高速旋轉和采集，一次飛行同時獲取高分辨率的垂直和傾斜影像[4]。數據后處理使用自動建模軟件，如Context Capture、PhotoScan、Pix4D等軟件生成三維模型。這種建模方式結構和紋理信息真實，數據獲取效率高，建模速度快，自動化程度高，但對軟硬件設備要求較高，成果模型為Mesh，模型邊角模糊，無法避免紋理遮蓋現象，并且模型三角網面片復雜，數據量大，單體化能力差，不利于模型的管理和屬性加載。

（3）傾斜攝影結合激光雷達掃描的三維建模技術：根據激光雷達掃描的點云制作白模，結合空三后的傾斜影像數據進行貼圖。這種方式點云數據獲取不受天氣影響、高程精度高、建模速度快、模型單體化且要素全面[5]，但自動化建模和貼圖處理尚有改進空間。

為了更好地服務數字城市的建設和管理，快速實現大范圍、高質量的實景三維建模，本文以傾斜攝影結合激光雷達掃描的三維建模技術為基礎，綜合利用激光雷達和傾斜攝影的技術優勢，引進先進機載激光雷達掃描設備RIEGL LMS-Q1560和傾斜攝影設備SWDC-5Ap100，在國內外現有成熟技術的基礎上，進行自動化建模關鍵技術的研究，最終形成基于激光雷達和傾斜攝影的城市三維自動化建模和貼圖技術路線，實現三維模型的快速構建和自動貼圖，并應用于華東某城市的數字城市建設中。

1 設備引進

1.1 RIEGL LMS-Q1560機載激光雷達掃描儀

RIEGL LMS-Q1560是世界激光掃描技術領軍企業奧地利RIEGL公司（注：激光雷達設備選擇指南）推出的最新型號的雙通道機載激光雷達掃描系統。LMS-Q1560獨創性的配備雙激光頭作業，兩個通道間呈28°傾斜，通過非正下方前掃/后掃（傾斜角度約±8°）的方式，從不同角度獲取地物的高精度數據，大大減少了復雜城區高大建筑物、山體等的遮擋，能夠獲取更多有效的點云數據。同時配合高達60°的大視場角，是市面上常見設備的1～2倍，數據獲取效率更高。

LMS-Q1560采用大功率激光源，最高激光脈沖發射頻率達800kHz，最大作業高度可達4700m。根據激光掃描設備誤差分析理論，較高的作業高度和較大的發射頻率會增加設備的測距不確定性[6]，RIEGL公司研發的多周期測量回波處理技術RiMTA有效的解決了這一問題，可同時處理空中10個以上脈沖信號，保證了設備在更高的高度上以更高的發射頻率作業，提高了作業效率和飛行安全性[7]。

LMS-Q1560延續其LMS系列軟件的優勢，具備全波形數字化和波形分析技術，配合高達60°的大視場角，航線寬度是市場現有其他設備的1～2倍，可一次性獲取大面積的激光點云數據及其全波形數據，并提供了更加豐富的目標信息，如脈沖時間、幅度、脈寬及多回波分布等全波形綜合信息，為三維城市建模、地形測繪與可視化等方面提供了更廣泛的應用[8]。

機載激光雷達掃描技術通過激光多回波獲取信息，加上激光本身具有一定的穿透性，在植被覆蓋的區域也能獲取一定數量的地面反射激光點。LMS-Q1560采用全波形技術，特別是植被密集區域、建筑密集區域，利用機載LiDAR的多回波探測技術，可實現所見即所得，準確測量密集植被區域以及建筑側面輪廓信息，使地形表達更加豐富、細膩。

1.2 SWDC-5A p100傾斜相機

SWDC-5A p100傾斜相機是由劉先林院士帶隊指導研究的SWDC系列數字航攝儀的最新升級型號，設備集成了1個長焦下視鏡頭和4個短焦傾斜鏡頭，傾斜安裝角度范圍為40°～45°。5個鏡頭均采用飛思1億像素可調焦距鏡頭，地面分辨率高達4.6μm，保證了各鏡頭分辨率和影像質量一致；各鏡頭基于專業檢校場的精密檢校，同步時間精確到亞毫秒級，保證了數據處理的精度[9]。SWDC-5A采用Trimble AP50系列POS進行集成，設計靈活，外形輕巧，支持GPS/GLONASS/BeiDou三系統，徹底打消用戶在特殊時段特殊飛行區域，衛星數量少的問題，這也極大地提高了后處理精度的穩定性。與其他傾斜攝影技術相比，具有高效率、高精度、高集成等特點，適合大范圍的傾斜攝影作業。

2 傾斜攝影結合激光雷達掃描的自動三維建模技術

2.1 技術路線

要提高傾斜攝影結合激光雷達掃描的三維建模效率，實現生產工藝自動化，難點在于實現基于激光雷達掃描點云數據的自動建模、傾斜影像空三成果快速獲取、模型自動貼圖。技術流程圖見圖2。

2.2 基于激光雷達掃描點云數據的自動建模

激光點云數據在無植被遮擋區域一般為單回波數據，在植被遮擋區域為多回波數據，最后一次回波為地面和建筑數據。首先，將航飛獲取的原始激光點云按照回波次數信息分類提取，設置閾值，根據不同回波間高差進行濾波分類，提取建筑區域[10]。其次，利用高程突變過濾方法和平面擬合過濾方法精確過濾分類出建筑物點云，同時可以利用回波強度信息和光譜信息對過濾的結果進行優化[11]。機載LiDAR點云數據經過濾波分類后，對提取出的建筑物點云數據根據建筑物類型進行區分建模。簡單建筑物，如平頂屋頂、人字形屋頂、斜頂等規律性建筑通過模型驅動的方式進行屋頂點聚類、平面擬合、邊界確定、建立模型，可普遍適用。普遍建筑物通過創建房屋標準樣式的方式，建立能適用項目所在地區普遍樣式的房屋庫。首先由人工對當地房屋樣式進行分類，創建其標準樣式，存入房屋庫。采用模型驅動和數據驅動相結合的方式對這類樣式復雜但具有規律性的建筑進行自動三維建模[12]。對于超復雜建筑物，如核心商業圈則在前兩種自動建模的基礎上人工修改，根據激光點云數據結合下視、傾斜影像提高建模細節表現力。

2.3 傾斜影像空三成果快速獲取

使用Bentley公司的Context Capture軟件對SWDC-5Ap100傾斜相機獲取的5鏡頭影像進行自動空三。Context Capture軟件具有自動化程度高、像控少、精度高等特點[13]，其空三成果經過轉換可得到高精度的5鏡頭影像的外方位元素。為提高自動空三解算精度，使用大飛機搭載SWDC-5A相機獲取影像，POS使用組合導航后處理獲得高精度定位定姿數據。為加快自動空三解算速度，對影像進行預處理，包括畸變校正和分辨率重采樣，降低影像數據量，在保證精度的情況下，提高空三加密速度。同時，使用畸變校正后的影像，也利于后期的模型自動貼圖。

2.4 紋理自動貼圖

實現5鏡頭影像到模型的自動紋理映射，主要包含以下步驟：（1）成果轉換：將Context Capture軟件輸出的5鏡頭影像空三成果進行轉換，得到每張影像精確的外方位元素。（2）還原影像位置姿態：通過外方位元素還原每張影像的位置姿態，計算每張影像的覆蓋范圍（footprint）。（3）自動采集模型上每個面片角點的點云坐標，根據每張影像的覆蓋范圍搜索包含此面片的影像；根據航線設計，預設搜索范圍，提高搜索效率。（4）優選紋理：根據定義的優選準則：最優傾斜角度值、最優距離、最優視角[14]等，將最優影像自動進行紋理映射，并按優先級提供備選影像。（5）人工檢查：由于可能存在建筑物、樹木遮擋等情況，需要人工檢查，對存在遮擋的紋理使用備選影像進行替換。

3 應用案例

3.1 測區概況

根據以上研究成果，在華北某二線城市進行基于LiDAR和傾斜影像的實景三維建模生產。城市以平地為主，河流密布，建模范圍為400km2的中心城區，商圈、高層建筑密集。

3.2 設計參數

點云設計參數：點云密度：≥4點/m2，發射頻率350kHz，東西向飛行，旁向重疊度≥20%，相對航高1750m，航線間隔1550.27m。

傾斜影像設計參數：分辨率優于0.05m，航向重疊度為70%，旁向重疊度為40%，相對航高870m，航線間隔348.2m。

3.3 案例效果

（1）數據采集效率分析。

根據上述設計，整個測區點云數據的航飛采集時間為3h，共計1個架次；傾斜影像的航飛采集時間為8.6h，共計2個架次，數據采集效率是其他建模方式的數倍。

（2）模型精度分析。

使用153個檢查點對機載LiDAR點云數據的精度進行檢查，Mh=±0.108m，達到了1∶1000比例尺的精度要求。

建筑模型、地形全部采用機載LiDAR點云數據制作，模型平面精度相對于最近控制點的點位中誤差不大于0.5m，模型基準面高程精度相對于最近控制點的點位中誤差不大于0.3m。

（3）模型效果分析。

生產的數字成果的三維模型表面紋理信息全部采用其對應的實景影像，紋理細節豐富，個體化特征明顯，具有高分辨率的紋理細節以及紋理的色彩均衡一致等方面的優勢，保證了模型紋理清晰、真實，無拉花、扭曲的問題，且無重復紋理現象，更精確地還原了城市原有面貌。同時，生產的三維模型是單體化的，即地面單個物體的三維模型之間不黏連，可單獨附屬性和編輯，技術應用廣泛，除了三維城市建設，還可用于農業、林業、電力、交通、國土、規劃、地質、水利等多個行業，尤其在區域發展戰略和智慧城市建設等大規模項目應用中，技術優勢明顯。

（4）建模效率分析。

項目投入20人進行三維建模、4個月完成400km2的生產，建模效率是當前主要建模技術的2～4倍，建模速度快、效率高、自動化強、人工干預較少。

4 結語

本文利用激光雷達和傾斜攝影的技術優勢，基于國內外現有成熟技術，通過先進設備的引進和技術、軟件研發，實現了建筑物白模制作、傾斜影像空三加密和建筑物紋理貼圖自動化、快速化的工藝生產流程，模型產品精度高，紋理色彩具有一致性和真實性，模型要素全面，建筑物頂部細節豐富，能夠真實反映城市原貌，不僅滿足了當前市場日漸嚴苛的建模質量要求，還將建模效率提高至現有技術的1.5～2倍，使大規模三維建模應用成為可能，為應急測繪保障、地理國情監測和數字城市建設等重大測繪項目的應用提供了技術支撐。有效提高了數據生產和建模效率，大大節約了建模周期及投入。

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