基于“傾斜+LiDAR+車(chē)載”的實(shí)景三維建模實(shí)現(xiàn)

郭林凱

(1.大連市測(cè)繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

基于“傾斜+LiDAR+車(chē)載”的實(shí)景三維建模實(shí)現(xiàn)

郭林凱1，2*

(1.大連市測(cè)繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

基于實(shí)現(xiàn)智慧城市建筑三維模型真實(shí)化、單體化、可量測(cè)化的目的，采用“傾斜攝影+機(jī)載LiDAR+車(chē)載信息采集”獲取建筑物三維模型體和紋理影像的方法，以統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基準(zhǔn)對(duì)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并利用相關(guān)匹配技術(shù)進(jìn)行模型與紋理的自動(dòng)配準(zhǔn)，得出利用傾斜攝影技術(shù)、激光測(cè)量技術(shù)以及車(chē)載信息采集技術(shù)，能夠快速實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景三維建模。

傾斜航空影像；機(jī)載LiDAR；車(chē)載信息采集系統(tǒng)；影像匹配；實(shí)景三維模型

1 引 言

當(dāng)今城市的發(fā)展正在從數(shù)字城市向智慧城市邁進(jìn)，而智慧城市建設(shè)正從以前模擬的三維城市模型向真實(shí)的三維城市模型轉(zhuǎn)變，智慧城市的“智慧”體現(xiàn)在三維場(chǎng)景中，要求三維場(chǎng)景的建筑、道路、水系等具有真實(shí)性、可量測(cè)性，使人們能夠真實(shí)地感知城市、分析城市，基于這種真實(shí)城市模型提升生活方式，提高城市規(guī)劃、建設(shè)、管理的智慧服務(wù)水平[1]。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感影像獲取技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)載傾斜攝影技術(shù)的實(shí)景三維建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)真實(shí)、精度高、速度快的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以真實(shí)映射我們所處的世界三維環(huán)境，因此，與此相關(guān)的建模技術(shù)得到很大發(fā)展。

1.1 實(shí)景三維城市模型概念

實(shí)景三維城市模型是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，以城市地理空間框架為基準(zhǔn)，融合影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、三維模型技術(shù)等，真實(shí)地還原城市建筑、道路、綠地、山地等城市基本要素單元，模擬出一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景，該場(chǎng)景中各類(lèi)城市單元如房屋、道路等具有準(zhǔn)確的空間地理坐標(biāo)，建筑物具有真實(shí)三維模型和紋理信息。

1.2 實(shí)景三維建模的現(xiàn)狀

國(guó)外在上世紀(jì)90年代就開(kāi)始了對(duì)傾斜攝影測(cè)量的研究，美國(guó)Pictometry公司是世界上最早研究?jī)A斜攝影測(cè)量的公司，Pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已經(jīng)在北美、歐洲進(jìn)行了大范圍應(yīng)用，隨后Google Earth、Leica、微軟公司也研究了傾斜影像系統(tǒng)[2]。國(guó)內(nèi)劉先林院士研發(fā)了SWDC系列傾斜攝影系統(tǒng)、中國(guó)飛思研發(fā)了AMC580傾斜攝影系統(tǒng)，這些傾斜攝影系統(tǒng)的產(chǎn)生為實(shí)景三維建模創(chuàng)造了條件。目前，國(guó)內(nèi)外主要實(shí)景建模技術(shù)如下：

國(guó)外以法國(guó)Astrium的街景工廠(Street Factory)、美國(guó)Intergraph的Smart 3D為代表的利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模，其特點(diǎn)對(duì)區(qū)域整體實(shí)景建模，建模效率高、自動(dòng)化程度高，但精細(xì)化差、無(wú)法實(shí)現(xiàn)建筑物單體化。

國(guó)內(nèi)華正空間(武漢)軟件技術(shù)有限公司、武漢天際航軟件技術(shù)有限公司等為代表采用機(jī)載LiDAR和傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模，其特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)建筑物單體化，模型相對(duì)精細(xì)，效率較低。

2 數(shù)據(jù)源分析

2.1 LiDAR數(shù)據(jù)源分析

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)是以飛機(jī)作為激光測(cè)量平臺(tái)，采用激光掃測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，直接向地面、地表發(fā)射激光進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)獲取地表地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲得地表三維空間信息。它整合了激光測(cè)距儀(Laser)、高精度慣性測(cè)量裝置(IMU)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)三個(gè)高新技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、定位定向技術(shù)和實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的高精度動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)迅速發(fā)展的綜合體現(xiàn)[3]。通過(guò)LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高精度的地表信息和建筑物外輪廓特征，利用點(diǎn)云生成的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)構(gòu)建實(shí)景三維城市的地表場(chǎng)景，也能利用建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速構(gòu)建建筑物的三維模型體，點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 傾斜影像數(shù)據(jù)源分析

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)內(nèi)最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)航空攝影只有一個(gè)下視角攝影儀的特點(diǎn)，采用在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)攝影相機(jī)，在航攝過(guò)程中同時(shí)間獲取下視角，前后、左右4個(gè)傾斜視角5個(gè)不同的角度地面影像信息[4]。傾斜攝影能夠獲取同一建筑物的頂部、四周側(cè)面影像信息，這些影像信息能夠?yàn)閷?shí)景三維城市建模提供真實(shí)的紋理，傾斜影像如圖2所示。

圖2 傾斜影像示意圖

2.3 車(chē)載移動(dòng)地面影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)源分析

車(chē)載信息采集系統(tǒng)是通過(guò)在一輛采集車(chē)頂安裝影像采集設(shè)備和激光采集設(shè)備，同時(shí)配備GPS和IMU導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在車(chē)輛快速行進(jìn)過(guò)程中，能夠快速采集沿途道路周邊的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠快速提取感興趣的建筑物影像以及道路、路燈、樹(shù)木、廣告牌、交通設(shè)施等地理信息數(shù)據(jù)的綜合性地面移動(dòng)采集系統(tǒng)[5]。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠獲取近地面的地物要素的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是傾斜攝影獲取的影像和機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，能夠應(yīng)用與實(shí)景三維建模中補(bǔ)充建筑物底部的細(xì)節(jié)信息，車(chē)載獲取近地面影像如圖3所示。

圖3 車(chē)載獲取近地面影像

3 實(shí)景三維城市建模的思路

實(shí)景三維城市建模的思路：以機(jī)載LiDAR測(cè)量、傾斜攝影測(cè)量、車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取實(shí)景三維城市建模所需的數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度三維模型體制作，采用機(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維城市模型的建筑物紋理的自動(dòng)生成，采用通過(guò)街景技術(shù)、實(shí)景三維影像生成技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的高精度匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)空地一體實(shí)景三維城市精細(xì)建模的方式，實(shí)景三維城市建模的思路如圖4所示。

圖4 實(shí)景三維城市建模的思路

4 “傾斜+LiDAR+車(chē)載”建模的實(shí)現(xiàn)

以獲取的傾斜影像、激光點(diǎn)云以及車(chē)載影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行實(shí)景三維城市建模，主要工作包括對(duì)傾斜影像、激光點(diǎn)云以及車(chē)載數(shù)據(jù)空三加密處理，利用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作DEM、DSM和建筑物三維模型體制作，傾斜影像與三維模型體的自動(dòng)匹配以及利用車(chē)載數(shù)據(jù)對(duì)近地面建筑物三維模型和紋理的精細(xì)化處理。

4.1 數(shù)據(jù)源的空三加密處理

為保證處理樓的傾斜影像、LiDAR點(diǎn)云以及車(chē)載數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)配準(zhǔn)，采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)，即統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取時(shí)的基站點(diǎn)架設(shè)、像控點(diǎn)測(cè)量、檢校場(chǎng)布設(shè)，并充分利用機(jī)載、車(chē)載的POS數(shù)據(jù)對(duì)傾斜影像、激光點(diǎn)云以及車(chē)載的影像和點(diǎn)云進(jìn)行空三加密處理，使各類(lèi)數(shù)據(jù)具有真實(shí)的三維坐標(biāo)信息。

4.2 利用LiDAR進(jìn)行三維模型體制作

(1)提取建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將獲取的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理和分類(lèi)后，提取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]，如圖5所示。

圖5 建筑物點(diǎn)云

(2)提取建筑物矢量數(shù)據(jù)

從已有的1∶500數(shù)字線劃圖上提取建筑物的房屋面數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 建筑物矢量數(shù)據(jù)

(3)以建筑物矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)拉伸建筑物高度，勾畫(huà)建筑細(xì)節(jié)、進(jìn)行建筑物三維模型的制作，制作的建筑物模型體如圖7所示。

圖7 建筑物三維模型體

4.3 利用傾斜影像實(shí)現(xiàn)模型體的紋理融合

根據(jù)已經(jīng)建立好的三維模型體具有三維坐標(biāo)信息，與經(jīng)過(guò)空三加密處理后每張傾斜影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)具有的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行配準(zhǔn)，將糾正后多角度影像紋理與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型配準(zhǔn)[7]，并自動(dòng)提取附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上，實(shí)現(xiàn)模型與紋理的自動(dòng)映射，完成實(shí)景三維建筑物模型的制作[8]。

(1)紋理影像選擇與提取

傾斜攝影獲取建筑物的同一紋理有很多，在為三維模型體選擇匹配紋理時(shí)，為保證模型的外觀質(zhì)量，需從很多的相片中選擇清晰、高質(zhì)量影像，通過(guò)計(jì)算每一紋理在相同圖幅大小相片中所占面積的大小，選擇紋理面積占比最大的影像作為紋理映射數(shù)據(jù)源，因?yàn)槊娣e越大，表明相機(jī)距離映射的建筑物越近，影像質(zhì)量越好[9]。

(2)紋理范圍的確定和裁切

根據(jù)模型需要映射的范圍大小確定數(shù)據(jù)源影像上紋理區(qū)域的范圍，根據(jù)確定的紋理裁切范圍，進(jìn)行影像裁切，生成貼圖文件。

(3)紋理與模型配準(zhǔn)

將具有統(tǒng)一空間基準(zhǔn)的三維模型體上的每個(gè)頂點(diǎn)與待貼的紋理的影像坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)[10]，實(shí)現(xiàn)三維模型體頂點(diǎn)與紋理坐標(biāo)的像點(diǎn)單元一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)頂點(diǎn)之間的紋理坐標(biāo)，進(jìn)行插值調(diào)勻，完成三維模型體的自動(dòng)貼圖，從許多影像中選擇紋理進(jìn)行三維模型體貼圖，如圖8所示。

圖8 影像中選擇紋理貼圖

(4)三維模型體與傾斜影像融合的效果，如圖9所示。

圖9 融合效果圖

4.4 利用街景數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維城市模型的底部完善

利用車(chē)載信息采集系統(tǒng)自帶的軟件對(duì)獲取的道路兩側(cè)的影像和點(diǎn)云完成定位定向，統(tǒng)一到實(shí)景三維城市建模的空間基準(zhǔn)中，對(duì)道路兩邊的建筑物的三維模型和紋理進(jìn)一步優(yōu)化處理，并與實(shí)景三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[11]，生成道路兩側(cè)精細(xì)化的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 精細(xì)化的實(shí)景三維模型

5 問(wèn)題及處理

大連地形是低山丘陵，地勢(shì)南低北高、三面環(huán)海，城市的建筑往往依山傍海而建，形成建筑的主體底部一部分在地面上、一部分在地面下的“半地下”特色建筑，其實(shí)景三維建模不同一般城市建模方式，即模型與DEM、DOM三者的簡(jiǎn)單套合，而是需要考慮這種“半地下”建筑如何與場(chǎng)景充分的融合，既不要出現(xiàn)模型與場(chǎng)景套合懸空、漏縫的現(xiàn)象，又要體現(xiàn)“半地下”建筑的特征。

經(jīng)反復(fù)研究、測(cè)試，因?yàn)榻ㄖ苓厡?shí)際地形、地勢(shì)不可能很規(guī)則，而是存在凸凹不平、高低不一的現(xiàn)象，按照每一立面高度進(jìn)行建模，很難做到模型底部與場(chǎng)景完全套合，就出現(xiàn)模型和場(chǎng)景漏縫現(xiàn)象。因此，采用最高立面整體建模的思路，可以解決這種“半地下”建筑實(shí)景三維建模，其處理過(guò)程如下：

(1)以建筑全部露出地面的一側(cè)立面(房高最高一側(cè))為基準(zhǔn)面，其他建筑立面按照最高側(cè)面構(gòu)建模型體，進(jìn)行整個(gè)建筑實(shí)景三維建模，如圖11所示，將建筑原本被埋在地下的部分也進(jìn)行建模；

圖11 半地下全部顯示的三維模型

(2)DEM的精細(xì)化處理，將房屋摳除，利用周邊地形的坡度將該處DEM擬合為類(lèi)似“斜坡”DEM，如圖12所示；

圖12 類(lèi)似“斜坡”DEM

(3)房屋模型與DEM、DOM的套合，將房屋模型根據(jù)空間坐標(biāo)插入到DEM與DOM擬合三維實(shí)景場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)三維模型的部分在地面下、部分在地面上的效果，整體效果如圖13所示。

圖13 半地下建筑三維模型場(chǎng)景

6 結(jié) 論

通過(guò)本次試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：實(shí)景三維建模技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、三維模型體建立技術(shù)以及模型與影像紋理的融合技術(shù)，利用多角度傾斜攝影系統(tǒng)、機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車(chē)載移動(dòng)采集系統(tǒng)獲取建模數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)景三維城市建模，結(jié)論如下：

(1)采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)，保證各類(lèi)數(shù)據(jù)的融合以及自動(dòng)建模?；诮y(tǒng)一的空間基準(zhǔn)以及坐標(biāo)系統(tǒng)，使LiDAR三維模型數(shù)據(jù)和傾斜攝影以及車(chē)載移動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)都具有真實(shí)的三維坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)匹配技術(shù)，將影像的紋理自動(dòng)映射到三維模型上，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模的自動(dòng)配準(zhǔn)。

(2)充分利用已有的建筑物矢量面數(shù)據(jù)，提高了生成建筑物三維模型體的效率。

(3)與車(chē)載移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的融合，能夠提高模型的紋理質(zhì)量。

(4)對(duì)于根據(jù)地形、地勢(shì)而建的建筑實(shí)景三維建模，一是需要精細(xì)化擬合扣除建筑物后DEM，二是需要以建筑最高立面進(jìn)行整體建模，能夠保證模型與地形完全套合。

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Based on the “Oblique+LiDAR+Vehicle” Real 3D Modeling

Guo Linkai1，2

(1.Surveying & Mapping Institute of Dalian，Dalian 116011，China； 2.Geomatics Center of Dalian，Dalian 116011，China)

Based on the realization of intelligent city building 3D model of real，monomer and measurement of objective，uses the “oblique photography and airborne LiDAR+vehicle information acquisition” method for acquiring 3D building model and texture image，in a unified mathematical benchmark on different data sources for data processing，and use of relevant matching technology in the automatic registration of texture model and that with a tilted photography technology，laser measurement technology and vehicle information acquisition technology，can realize the rapid city real 3D modeling.

oblique aerial image；airborne LiDAR；vehicle information acquisition system；image matching；3D scene model

1672-8262(2017)01-71-05

P208.2

B

2016—06—07 作者簡(jiǎn)介：郭林凱(1979—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事航空攝影測(cè)量與遙感、地理空間信息處理、實(shí)景三維建模等方面工作。