基于Lidar數據和傾斜攝影的城市三維模型構建

牛建國

（河北省第二測繪院，石家莊050000）

1 傳統空間信息獲取技術與Lidar數據、傾斜攝影

1.1 傳統空間信息獲取技術

構建城市三維模型離不開大量數據支持，因此，空間信息獲取技術決定了城市三維建模的發展。傳統的空間信息獲取技術主要有傳統測量方法、二維矢量圖、航空攝影技術、三維激光掃描4種：（1）全站儀、RTK技術等均屬于傳統的測量方法，將利用這些測量方法獲取的城市基礎數據導入三維建模軟件后，可完成城市模型的構建工作。（2）二維矢量圖可對城市已有地形圖、城市規劃圖進行掃描，然后依據高度輔助數據建立建筑模型。通常而言，房屋的高度可通過層高推算。這一信息獲取技術僅適用于建模精度要求不高的情況。（3）航空攝影技術是借助航空攝影技術獲取城市航空影像，再通過一定的數據處理過程為城市三維模型的構建提供依據。（4）三維激光掃描方式可以快速獲取地面大面積的三維點云，將這些城市數據導入三維建模軟件中，可更方便快捷地構建三維模型。

1.2 Lidar數據與傾斜攝影

Lidar系統以飛行器為載體，是一種新型對地觀測技術，主要通過掃描地球表面獲取地球表面的信息與數據。較之傳統空間信息獲取技術，Lidar系統獲取的激光點云數據精度與密度更高[1]。借助激光測距技術、動態GLASS定位技術與慣性測量技術，Lidar系統可通過對系統的同步控制推動數據同步處理的實現，進而還完成定位流程。

傾斜攝影測量技術可在同一時間從正下、前、后、左、右不同方向與地面構成一定角度后獲取地面影像數據，因此，其屬于一種多角度觀測的攝影測量技術。傾斜攝影技術不僅可獲取被攝區域的正射影像，還可獲取被攝區域的傾斜影像，還可記錄拍攝點位的位置信息，以此在后期數據處理中實現影像的空間定位。但是，傾斜攝影無法將某些建筑物模型單獨分離，因而無法滿足對單個建筑物進行分析管理的需求。相較于Lidar技術獲得的高精度三維點位坐標，傾斜攝影測量技術獲得的數據精度較低，無法為構建城市三維模型提供數字高程模型。

2 城市三維模型構建技術

在三維模型構建和真實紋理制作方面，Lidar數據具有可以快速高效獲得大量密集地面三維點云的優勢，因而其在地表密集三維模型構建中具有廣泛的應用。傾斜攝影則可通過獲得地表建筑景觀的多視角紋理更方便地制作三維模型的真實紋理。具體過程為：（1）利用機載Lidar采集點云數據，借助傾斜攝影技術采集原始建筑數據；（2）對Lidar點云數據進行初步處理與分類，甄選其中的建筑物、橋梁、樹木、道路等地物類型，初步構建起地物的三維模型；（3）在Lidar點云數據與傾斜攝影獲得建筑影像相結合的基礎上制作DOM（數字正射影像圖）；（4）利用傾斜影像與地物三維模型構建起建筑物貼圖模型、沿街要素模型與樹木模型。

3 DEM（數字高程模型）與DOM的生成

3.1 原始數據獲取及預處理

根據攝區范圍，需要采用Aroute設計軟件在充分考慮航帶長度、太陽角、光線強度和地面高程變化等因素的前提下進行航線設計。正式飛行前，應仔細檢查所有設備的安裝與參數設置，補攝與重攝均應按照原設計航跡進行，且補攝航線的長度需滿足用戶區域網對空三加密的要求。飛行結束后，應及時下載飛行記錄數據與影像數據，然后進行輻射糾正與勻色處理。

3.2 空三加密

計算區域網的聯合平差，首先，需將輸出工程區像片的初試外方位元素引入像控點大地坐標，然后將IMU/DGPS輔助航空攝影得到的6個外方位元素作為帶權觀測值參與平差計算中，這一過程中需應用加密成果進行定向。空三加密系統除可自動進行空三區域內的點匹配，還可利用點匹配的結果與初始外方位元素進行區域網平差。

3.3 點云分類

為了將飛機航行時的飛行姿態與掃描位置等空間位置信息一一還原，需利用IPAS PRO軟件將空中原始數據解壓，并在GrafNav軟件中對空中和地面基站GPS數據進行插分融合處理。激光原始數據的處理主要應用ALS Post Processing軟件，WGS84坐標與項目所在的UTM坐標帶可確保激光點云數據獲得地理坐標，并實現噪聲點的處理。人工去除噪點后即可形成DSM，通過宏定義的建立來完成植被初分類工作。

Terrascan與Terramodel軟件可自動完成去除點云噪聲與地面點分類工作，此后再經過少量人工編輯即可將處理不正確的數據編輯到正確的數據層。在完成上述一系列數據處理工序后，即可獲得更為高效、精確的地面數據，植被覆蓋區域DEM的精度由此可得到保證。利用GPR和DEM數據對影像進行糾正，以此獲取正射影像。

4 三維模型構建

4.1 地面建模

作為整個城市三維模型的底層，地形模型起到重要的支撐作用，其他三維模型均需放置在地形模型之上。地形模型的精度對城市空間分析有直接的影響，同時可避免與建筑物模型交錯。在Lidar數據和傾斜攝影的基礎上完成的地形三維建模，對原始點云濾波后只剩地面點，剔除建筑物與植被點后會形成數據孔洞，此時需對濾波后的點云進行數據內插。為增加地形精度并為日后的編輯工作提供便利，應才用距離權重法將地面點內插成1m×1m的規則格網。在實際生產中，還需按照一定的圖廓劃分DOM和規則格網，將其劃分在同一個圖廓歸屬為一個對象，即對象化地形模型以實現對地形模型的有效管理[2]。

4.2 建筑物建模

作為城市三維模型的主要元素，進行建筑物建模時，應充分考慮后期的模型編輯與更新。因此，應將建筑物模型制作為單體線框模型，與地面模型一樣采用面向對象的形式進行管理。如前文所述，Lidar數據技術中的點云擁有高精度坐標，但描述建筑物的輪廓能力十分有限，因此，還需根據傾斜攝影獲取的建筑影像勾勒建筑物的輪廓。

對于高層建筑，根據影像勾勒出的建筑物輪廓往往會因投影差而與實際坐標產生細微的差別，因此，需將輪廓移動至點云邊界。單獨依靠建筑物輪廓信息無法建模，因此，高程和建筑物的高度信息必不可少。對此，可充分利用機載Lidar技術獲取建筑物頂面以及側面和地面點的點云數據。

5 結語

綜上所述，機載Lidar與傾斜攝影相結合的城市實景三維建模方法具有精度高、成本低、增強模型真實感的優勢。但在實際應用中，勾勒建筑物輪廓及確定建筑物高度時手動操作較多，因而工作效率較為低下。針對這一問題，域內專家學者應進一步深入研究建筑物輪廓線的自動提取。