基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的城市三維模型構(gòu)建

向云飛，余代俊，張　兵，楊　驍

(成都理工大學(xué)　現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)及應(yīng)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(gòu)建

向云飛，余代俊，張兵，楊驍

(成都理工大學(xué)現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用研究所,四川 成都 610059)

針對(duì)傳統(tǒng)建模方式建模效率低、模型紋理不夠豐富真實(shí)等缺點(diǎn)，闡述一種以機(jī)載Lidar技術(shù)來(lái)獲取地面點(diǎn)高精度的三維坐標(biāo)、用傾斜攝影測(cè)量為三維建模提供紋理的一種新興的三維建模方式。實(shí)驗(yàn)表明，該建模方式不僅工作效率高、真實(shí)反應(yīng)城市空間布局，而且定位精度高、具備可量測(cè)分析功能等，同時(shí)提供DOM,DEM,點(diǎn)云數(shù)據(jù),傾斜影像等數(shù)據(jù)。

機(jī)載Lidar； 傾斜攝影； 三維建模； 紋理； 實(shí)景

隨著“數(shù)字城市”概念的提出，越來(lái)越多的城市提出要構(gòu)建“數(shù)字城市”，這將成為未來(lái)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(shí)景城市的構(gòu)建是“數(shù)字城市”構(gòu)建的一項(xiàng)基本內(nèi)容。城市三維模型已廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市變化監(jiān)測(cè)、應(yīng)急決策等領(lǐng)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(shù)從傳統(tǒng)的三維建模發(fā)展到基于攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模、基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模。采用何種建模技術(shù)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(shí)度，故需要對(duì)建模技術(shù)不斷研究。本文闡述一種以機(jī)載Lidar為獲取城市三維坐標(biāo)的手段，傾斜攝影測(cè)量獲得傾斜影像做為模型紋理的三維實(shí)景建模技術(shù)。

1　幾種建模方式的介紹和對(duì)比

近些年，隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)源的多樣化，建模的技術(shù)一直在發(fā)展。每一種建模方式都相對(duì)于之前的建模方式有很大的發(fā)展，同時(shí)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(cè)量技術(shù)的建模方式、基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)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(guò)人工拍攝的方式獲得各種地物的特征紋理，并對(duì)其進(jìn)行美化處理，再在建模軟件中將處理過(guò)的紋理映射到相應(yīng)的白模型上，來(lái)實(shí)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(dá)；且大部分建筑物建模時(shí)，高度往往根據(jù)樓層高度推算，精度不能達(dá)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(huì)影響該地區(qū)的建模。

1.2基于攝影測(cè)量技術(shù)的建模方式

基于攝影測(cè)量技術(shù)的建模方式是通過(guò)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(gè)立體像片對(duì)，恢復(fù)內(nèi)、外方位元素，最終完成影像的內(nèi)定向和絕對(duì)定向，實(shí)現(xiàn)DLG制作；最后結(jié)合立體像對(duì)和DLG制作三維模型。

不足：由于某些建筑物比較復(fù)雜和建筑物之間的陰影、遮擋等原因，進(jìn)行影像匹配的時(shí)候會(huì)存在誤差；重建工作量較大，“自動(dòng)化”程度比較低[4-5]。

1.3基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建模方式

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用飛行平臺(tái)搭載多個(gè)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]。基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建模方式，是通過(guò)專用的軟件對(duì)獲得傾斜影像進(jìn)行處理，從而對(duì)地面場(chǎng)景進(jìn)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(dú)分離出來(lái)，不能滿足對(duì)單個(gè)建筑物分析管理的需要；對(duì)于機(jī)載Lidar技術(shù)獲得高精度三維點(diǎn)位坐標(biāo)來(lái)說(shuō)，精度相對(duì)較差；不能為城市提供數(shù)字高程模型。

通過(guò)3種建模方式的原理介紹，將幾種建模方式進(jìn)行對(duì)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(shí)景城市模型的特點(diǎn)。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(jié)合機(jī)載Lidar和傾斜攝影這兩種測(cè)量技術(shù)，闡述一種新興建模方式，該建模方式能利用機(jī)載Lidar快速大面積地獲得城市地物的高精度的三維點(diǎn)位坐標(biāo)[7]，通過(guò)高精度的三維點(diǎn)位坐標(biāo)——點(diǎn)云來(lái)建立城市三維模型的白模型；同時(shí)，利用傾斜攝影測(cè)量來(lái)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(guò)映射技術(shù)將紋理映射到城市三維模型上。該方式結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)的一站式三維實(shí)景城市解決方案，能直觀真實(shí)地體現(xiàn)城市現(xiàn)狀。

2.2技術(shù)特點(diǎn)

該建模方式具有以下技術(shù)特點(diǎn)：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(shí)三維地形情況；③模型要素全面、細(xì)節(jié)豐富；④模型定位精度高，滿足1∶1 000測(cè)圖要求；⑤建筑模型具備可量測(cè)精度——高程精度優(yōu)于30 cm；⑥城市紋理真實(shí)，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)景三維城市建模；⑦技術(shù)效率高、周期短——5個(gè)月完成中等城市采集、建模；⑧基于三維實(shí)景城市進(jìn)行量測(cè)、分析應(yīng)用；⑨提供城市三維模型，DOM，DEM，點(diǎn)云數(shù)據(jù)和可量測(cè)的影像庫(kù)。

3　三維城市模型的重建

3.1技術(shù)流程

基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影測(cè)量的城市實(shí)景三維建模是一種新型的建模方式，該建模方式以Lidar技術(shù)做為獲取地面點(diǎn)高精度三維坐標(biāo)的手段，通過(guò)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(shù)流程如圖1所示。

圖1　三維城市建模技術(shù)流程

3.2地面建模

地形模型作為底層支撐著整個(gè)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(cuò)，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(jìn)行地形三維建模，首先將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到城市地面點(diǎn)，如圖2所示。

對(duì)原始點(diǎn)云濾波后只剩地面點(diǎn)，剔除建筑物與植被點(diǎn)后形成數(shù)據(jù)空洞，因此，需要對(duì)濾波后的點(diǎn)云進(jìn)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(quán)重方法將地面點(diǎn)內(nèi)插成1 m×1 m的規(guī)則格網(wǎng)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)地形模型的有效管理，實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)地形模型對(duì)象化，將DOM和規(guī)則格網(wǎng)按一定的圖廓進(jìn)行劃分，劃分在同一個(gè)圖廓?dú)w屬為一個(gè)對(duì)象。本次采用500 m×500 m的圖廓對(duì)DOM和規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行劃分。將劃分后的DOM和規(guī)則格網(wǎng)疊加到三維平臺(tái)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?duì)其進(jìn)行管理。從分類(lèi)后點(diǎn)云提取建筑物點(diǎn)云，并將空間定位過(guò)的傾斜影像一并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助軟件MicroStation中，在軟件中實(shí)現(xiàn)分別含有點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜影像的2個(gè)視圖窗的聯(lián)動(dòng)。點(diǎn)云雖有高精度坐標(biāo)，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(shí)際坐標(biāo)有細(xì)微差別，此時(shí)需按點(diǎn)云數(shù)據(jù)將輪廓移動(dòng)至點(diǎn)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(jī)載Lidar技術(shù)不僅能獲取建筑物頂部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還能獲得側(cè)面和地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，故在軟件中對(duì)建筑物立面剖分，然后根據(jù)頂部和地面點(diǎn)的點(diǎn)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(jiàn)雛形，但是一些模型細(xì)節(jié)在該軟件中還不能表現(xiàn)，需將其導(dǎo)入到3DMax中進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)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(guò)人工拍攝的方式在3DMax中完成紋理貼圖；若無(wú)，可將其直接導(dǎo)入到CixMo模塊。

在CixMo模塊中打開(kāi)模型，同時(shí)加載影像列表，則該模型對(duì)應(yīng)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(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)時(shí)考慮該特點(diǎn)，因此選擇紋理自動(dòng)映射時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分配角度最好的影像映射到模型上，紋理自動(dòng)映射過(guò)程如圖6所示。

圖4　確定模型高程及高度

圖5　用3DMax進(jìn)行模型精編輯

圖6　紋理自動(dòng)映射過(guò)程

上述過(guò)程為一幢建筑物單體線框形式的建模過(guò)程，根據(jù)此方法可構(gòu)建整個(gè)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(gè)模型都是一個(gè)單獨(dú)文件，當(dāng)重新加載模型時(shí)，須加載每個(gè)文件。為方便管理和維護(hù)，需將模型導(dǎo)入3DMax中進(jìn)行整合，而該軟件并非三維模型平臺(tái)軟件，對(duì)模型加載能力有限，一次只能加載1～2 km2。對(duì)每個(gè)區(qū)域的模型加載完成之后另存一個(gè)文件，最后將所有文件加載到三維平臺(tái)軟件Skyline中，圖7為整個(gè)城市的三維模型。

圖7　城市三維模型

4　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，利用機(jī)載Lidar技術(shù)和傾斜攝影結(jié)合起來(lái)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(shí)的反應(yīng)城市的三維空間布局。相對(duì)于傳統(tǒng)建模來(lái)說(shuō)，克服了傳統(tǒng)建模效率低、模型紋理不夠豐富等缺點(diǎn)；同時(shí)構(gòu)建的模型要素全面、細(xì)節(jié)豐富，又具有可量測(cè)、分析的功能。在獲得城市的三維模型，提供DOM,DEM,點(diǎn)云數(shù)據(jù)、多角度傾斜影像。該種建模方式實(shí)現(xiàn)的三維城市模型，能夠?yàn)椤皵?shù)字城市”提供很好的城市信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市的城市管理和城市信息查詢等功能。

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[責(zé)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