基于機載LIDAR技術的建筑物三維模型快速構建方法探討

宋書芳

摘 要：本論文介紹了一種基于機載LIDAR技術，快速獲取建筑物三維模型的快速構建方法。首先，將高密度的點云數據通過濾波及相應的數學算法，得到了建筑物的點云信息;其次，利用獲取到的點云數據對特征點進行精細提取，分別構建特征線與特征面，采用7參數建筑物模型的方法，實現了建筑物的三維建模;最終，利用這種方法得到了場景中所有建筑物的快速重建。

關鍵詞：LIDAR;三維模型;點云數據;濾波;快速重建

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.123

0 引言

在國家信息化浪潮及“數字城市”理念的推動下，城市信息化也在朝著深度及廣度方面不斷的發展。地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）作為城市數字化及三維數據管理的重要技術之一，已經逐漸的成熟起來。目前城市建筑物數據的獲取主要以地形圖結合建筑設計圖紙、航拍影像或者實地量測等方法。這些方法各有特點，但數據采集工序繁瑣、周期長、效率低且成本較高，尤其是針對復雜建筑物獲取的數據精度較低，常常由于誤差的累積，造成重建的模型失真。

激光掃描測距技術（Light Detection and Ranging， LIDAR）是一種快速、直接地獲取地形表面模型的技術[1];與傳統的光學及微波遙感不同，LIDAR通過離散點組成的點云，快速、精確地獲取地面特征在水平和垂直方向上的位置。在獲取方式中，機載LIDAR以其在地面信息探測及模型的恢復、重建等方面的優勢，成為近十年快速發展的一種新型測量技術。通過該技術，可以大面積、快速、大量的采集城市建筑物三維數據信息，其高效、高精度、自動化、成本低等特點，是其他方法無法比擬的[2]。

本論文介紹了一種利用機載LIDAR數據，快速獲取城市建筑物三維模型的方法，該方法能夠還原建筑物的真實結構與空間位置，在數字城市建設以及城市規劃等領域具有重要的應用價值。

1 數據介紹及處理方法

1.1 數據介紹

機載LIDAR數據的獲取時間為2006年2月15日，飛機的飛行區域為上海浦東陸家嘴地區，采用ALTM3100機載LiDAR系統，前期對飛機GPS軌跡數據、飛機姿態數據、激光測距數據及激光掃描鏡的擺動角度數據進行聯合處理，最后得到該試驗區域的高精度三維點云數據。

1.2 數據處理

獲取到的點云數據需要進行濾波處理，濾波的基本原理是針對臨近激光腳點的不連續高程突變進行濾出[3]，識別出地面點與非地面點。點云數據的地物識別是指從非地面點中區分出植被點、人工地物（房屋、橋梁等）等，從而進一步研究地物的空間特性。根據植被與人工地物的反射特性及空間幾何關系，研究房植被、房屋、橋梁等的統計特性，如回波類型、反射強度、點的高程、點高程二次導數等數學關系，尋找人工建筑、植被、電力線的區別，通過數學統計特性將這三種地物區分開來，最終得到用于建模的建筑物點云數據。圖3中規則的地區為建筑物點云數據，經實地調查檢驗得出分類精度為95%。數據處理的具體流程圖見圖1。

2 建筑物三維模型構建

2.1 基本原理

本論文采用Vosselman在2002年提出的7參數建筑物識別方法[4]。其主要原理是，任何一個規則的建筑物，都可以用7個參數來描述其位置及結構形態。這7個參數是：建筑物的長（lx）、寬（ly）、高（H），某個房角點的坐標（X，Y），房屋邊緣的傾角（α）以及房屋的偏轉角（θ）。通過求算這7個參數，可以確定出某個規則建筑物所處的空間位置及三維結構信息（圖2）。

2.2 三維模型構建

在點云中單獨借助截面顯示只能得到房屋的大致形狀，很難完全了解房屋的結構和精確位置，不利于數據信息的后續利用。從離散的點中根據一定的規則提取出房屋平面及邊緣，構建房屋的三維模型，使激光雷達數據信息表達更直觀，便于數據信息的后續利用。

（1）特征信息提取。針對得到的建筑物點云信息，利用數學形態學方法，檢測得到房屋的邊緣，然后通過孤立點分離，得出最外圍的特征點所在的位置。將具有特征信息的點組成線段以及線段合并和帶權的線段競爭機制優化檢測到的直線段，最后通過規則化手段將檢測到的線段進行調整，使線段滿足建筑物常有的平行、垂直關系，得到矢量化的建筑物。

一個矢量圖快描述了一個屋頂面片，矢量圖中具有點數最多的類型是代表該屋頂面片的點。屋頂面片的生成需要確定其邊界多邊形中每一個節點的Z 坐標，為了能夠產生適合三維現實的效果，同時需要將具有三維坐標的多邊形構成三角網、形成圖形渲染工具要求的網格模型。墻面的生成比較簡單，對屋頂面片的每一個邊界，依次遍歷邊界中的每一條線段，求得其與下一層屋頂之間的距離，形成一個矩形（或者梯形，當邊界是斜邊構成的結果為梯形，當邊界平行于地面，構成的結果為矩形）（圖3）。

利用提取的建筑物特征信息，得到房屋結構的輪廓。建筑物提取的難點在屋頂形狀的提取，對于規則屋頂（人字形、平頂及圓頂）以上算法都有不錯的效果，但對于復雜的屋頂，還需要人工干預或進一步處理。7參數建筑物模型中確定了建筑物所在的位置以及結構，也就是建筑物的空間信息，因此采用這種方法可以得出整個場景中所有建筑物的三維模型，見圖4。

3 結論

本論文利用機載LIDAR獲取到的點云數據，通過濾波及數據算法的處理，得到了建筑物的點云數據;然后利用7參數建筑物三維模型，形成了一套城市建筑物三維快速建模方法。主要的結論有：

（1）從復雜地形的點云數據中采用智能化濾波處理技術得到了建筑物的點運數據;

（2）從點到線再到面，提出了建筑物特征輪廓快速提取及建模的技術。

該項技術同時獲取了建筑物的空間分布與結構信息，能夠真實的反映出場景中建筑物的信息，對在我國開展大范圍城市建筑物規劃及地理信息數據的更細具有非常重要的現實意義，并能夠有效地服務于我國的國民經濟建設，更好地適應不斷加快的城市信息化建設。

參考文獻：

[1]劉春，陳華云，吳杭彬.激光三維遙感的數據處理與特征提取[M]. 北京：科學出版社，2010：8-14.

[2]徐祖艦，王滋政，陽鋒.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].武漢：武漢大學出版社，2009：2-6.

[3]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社，2007：23-45.

[4]Vosselman G.Fusion of laser scanning data，maps，and aerial photographs for building reconstruction// Geoscience and Remote Sensing Symposium，2002.