基于機(jī)載激光點(diǎn)云的建筑物高度提取方法研究

葉子偉，林 昀，吳 敦

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

基于機(jī)載激光點(diǎn)云的建筑物高度提取方法研究

葉子偉1，林 昀1，吳 敦1

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

以寧波市第一次地理國(guó)情普查中的建筑高度普查專項(xiàng)工作為例，提出了一條基于激光點(diǎn)云分類成果、大比例尺地形圖和DEM，快速提取建筑物高度的技術(shù)路線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可快速準(zhǔn)確提取建筑高度和頂部紋理信息，從而為城市建設(shè)和規(guī)劃提供了可靠的測(cè)繪地理信息服務(wù)和保障。

激光點(diǎn)云分類；DEM；DOM；建筑物高度

城鎮(zhèn)建筑高度的分布可以反映城市土地垂直利用的效率和格局，城鎮(zhèn)建筑高度的普查與監(jiān)測(cè)不僅可以研究建筑高度分布與城市環(huán)境的關(guān)系，促進(jìn)城鎮(zhèn)建筑分布及控制規(guī)劃的科學(xué)合理性，而且對(duì)高層建筑安全監(jiān)測(cè)和消防應(yīng)急救援也具有重要意義。

寧波市第一次地理國(guó)情普查結(jié)合城市建設(shè)和應(yīng)急減災(zāi)防災(zāi)的需要，提出了城市建筑高度普查，即基于高精度地表模型數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像，結(jié)合專業(yè)地理信息軟件GIS空間分析功能，提取建成區(qū)內(nèi)建筑物的高度信息。以寧波市建筑高度普查為例，利用機(jī)載激光點(diǎn)云、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM），結(jié)合大比例尺地形圖，提出了一條基于激光點(diǎn)云分類成果快速提取建筑物高度和頂部紋理的技術(shù)路線，從而為城市建設(shè)提供更堅(jiān)實(shí)的測(cè)繪地理信息服務(wù)和保障。

1 城市建筑高度和機(jī)載激光點(diǎn)云

全國(guó)第一次地理國(guó)情普查中僅對(duì)建筑的高度進(jìn)行初步分類，如多層及以上房屋建筑區(qū)、低矮房屋建筑區(qū)等，無(wú)法滿足城市管理決策對(duì)高精度建筑標(biāo)高的應(yīng)用需求。為此，寧波市第一次地理國(guó)情普查對(duì)城市建管高度普查內(nèi)容進(jìn)行了深化，提出對(duì)建筑物的絕對(duì)高度和相對(duì)高度進(jìn)行普查。其中，建筑絕對(duì)高度定義為建筑物主體結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)高程；相對(duì)高度定義為建筑物主體結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)高程與建筑物邊線上的DEM高程最低點(diǎn)的高程之差。

機(jī)載激光點(diǎn)云是基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。寧波市第一次地理國(guó)情普查開(kāi)展了全市基于機(jī)載激光雷達(dá)的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)獲取工作，面積約8 000 km2，其中建成區(qū)面積約1 000 km2；建成區(qū)點(diǎn)云高程中誤差優(yōu)于0.1 m；平面中誤差優(yōu)于1.2 m，密度優(yōu)于6點(diǎn)/m2。

2 高精度地表信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)

高精度地表信息是指基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波、分類及其他處理而形成的點(diǎn)云分類成果、DEM和DOM成果。

2.1 激光點(diǎn)云分類

將航攝獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互分類，具體分為地面點(diǎn)、建筑物、水系、未定義類4類。

激光點(diǎn)云分類總體遵循“所見(jiàn)即所得”的原則，分類前先剔除激光點(diǎn)云中的錯(cuò)誤點(diǎn)，同時(shí)檢查點(diǎn)云屬性是否正確。首先，利用曲面濾波和TIN濾波算法對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)進(jìn)行初步提取，并人工修正結(jié)果。其次，建筑物在自動(dòng)提取的基礎(chǔ)上，必須進(jìn)行人機(jī)交互分類，保證分類正確性，特別是避免將周邊的植被錯(cuò)分到建筑物，影響建筑物底部高程。分類過(guò)程中，不對(duì)點(diǎn)云做置平和修改高程值處理。

圖1 激光點(diǎn)云分類成果

分類初步完成后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行多方向剖面檢查和高程三維可視化檢查，同時(shí)參考相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)，以剔除錯(cuò)誤分類點(diǎn)。圖1的分類成果中，棕色為地面、紅色為建筑物、藍(lán)色為水系，其余非必要類別的點(diǎn)云未顯示。

2.2 DEM制作

激光數(shù)據(jù)分類完成后，利用Terrasolid將地面點(diǎn)類別的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，加入等高線等特征線數(shù)據(jù)輔助。由于點(diǎn)云密度較高，因此可按0.5 m格網(wǎng)內(nèi)插提取高程值，獲得DEM產(chǎn)品，其高程中誤差優(yōu)于 cm。

由于直接通過(guò)激光點(diǎn)云分類后的地面點(diǎn)生成DEM，因此，可以很大程度地避免植被對(duì)DEM質(zhì)量造成影響，從而準(zhǔn)確地描述地形地貌。此外，由于建筑物分類時(shí)，采取了精細(xì)度要求較高的人工干預(yù)，建筑物底部及其周邊的地表較為平整，對(duì)于后續(xù)的自動(dòng)化處理將十分有益。

2.3 DOM制作

根據(jù)點(diǎn)云中的地面點(diǎn)類別，提取模型關(guān)鍵點(diǎn)，即是準(zhǔn)確度十分良好的DEM。利用航跡文件和影像時(shí)間列表文件確定每張影像與點(diǎn)云的位置關(guān)系，利用相機(jī)內(nèi)方位元素校正影像畸變。通過(guò)影像間半自動(dòng)提取連接點(diǎn)，反復(fù)進(jìn)行平差，校正影像畸變參數(shù)，提高影像的定位準(zhǔn)確度。在影像與點(diǎn)云之間匹配達(dá)到滿意的效果后，對(duì)全部影像進(jìn)行勻光勻色，調(diào)整鑲嵌線，按公里格網(wǎng)輸出1∶2 000比例尺的DOM成果。

根據(jù)激光點(diǎn)云生成的DOM數(shù)據(jù)在精度上與傳統(tǒng)攝影測(cè)量手段相當(dāng)，但免去了大范圍內(nèi)外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)避免了傳統(tǒng)DSM對(duì)DOM造成大量編輯工作，是目前較為流行且高效的DOM生產(chǎn)方式。

3 建筑物高度快速提取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 建筑物頂部高程的提取

建筑物頂部高程是指建筑物主體結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)的高程。測(cè)量位置選取位于該建筑物頂部的可測(cè)量激光回波點(diǎn)上。如建筑物頂部為平頂，則選取位于頂層平臺(tái)北側(cè)檐口的激光回波點(diǎn)上；如建筑物頂部為尖頂，則應(yīng)選取頂部屋脊高程值最大的激光回波點(diǎn)上。測(cè)量時(shí)，建筑物的附屬物或?qū)儆诮ㄖ镎w的一部分但不屬于主要結(jié)構(gòu)的，如空調(diào)外機(jī)、避雷針、水箱房、女兒墻等，不予量測(cè)。同時(shí)規(guī)定每幢建筑物僅量測(cè)一個(gè)頂部高程。

由于建筑物頂部情況的復(fù)雜性，高程量測(cè)采用自動(dòng)化提取的方式很難完成，目前只能對(duì)部分相對(duì)簡(jiǎn)單、規(guī)則的建筑物，如廠房、城中村等采用在Terrasolid中建立樣本庫(kù)的方式，結(jié)合現(xiàn)有的大比例尺數(shù)學(xué)地形圖，自動(dòng)提取一部分高程值；對(duì)于較為復(fù)雜的房頂，通過(guò)人工的方式，根據(jù)建筑物點(diǎn)云的剖面，獲取絕對(duì)高程值。絕對(duì)高度提取的操作步驟如下：①將激光點(diǎn)云分類成果、DOM數(shù)據(jù)和DLG數(shù)據(jù)導(dǎo)入到普查軟件中，設(shè)置顯示模式為疊加顯示，以便于人工判讀；②打開(kāi)建筑高度數(shù)據(jù)編輯對(duì)話框，如圖2，雙擊其中的一個(gè)建筑矢量條目，將其作為當(dāng)前普查對(duì)象，普查軟件自動(dòng)定位到建筑位置，并顯示矢量范圍內(nèi)（可以設(shè)置外擴(kuò)參數(shù)）的點(diǎn)云和影像；③初步確定測(cè)量位置，在二維視圖中選擇剖面范圍，并在剖面視圖中顯示，利用智能化剖面查詢工具，如圖3，完成高度信息自動(dòng)錄入工作。

圖2 建筑高度數(shù)據(jù)編輯對(duì)話框

圖3 智能化剖面查詢工具

對(duì)于內(nèi)業(yè)無(wú)法獲取或判斷的，采用外業(yè)測(cè)量的方式補(bǔ)充完整。將采集的建筑物頂部高程點(diǎn)統(tǒng)一入庫(kù)。后續(xù)工作中，以頂部高程點(diǎn)的測(cè)量位置作為該建筑物的定位點(diǎn)。

3.2 建筑物底部高程自動(dòng)提取

將現(xiàn)勢(shì)性最好的1∶500DLG入庫(kù)成果與建筑物頂部高程的shp文件加載到ArcGIS中，保證二者坐標(biāo)系一致。頂部高程定位點(diǎn)必定在建筑物外輪廓平面投影范圍內(nèi)，即DLG數(shù)據(jù)庫(kù)中的建筑物面內(nèi)。導(dǎo)入前文所述的高精度DEM作為建筑物底部高程自動(dòng)獲取的本底數(shù)據(jù)。導(dǎo)入DOM作為頂部紋理提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

利用建筑物面的邊線切割DEM，以建筑物邊線最東北角為起點(diǎn)，按每0.5 m遍歷獲取邊線上的內(nèi)插高程值，搜索最低值，予以記錄。每個(gè)建筑物面內(nèi)的定位點(diǎn)（頂部高程點(diǎn)）與最低高程值之差，即是建筑物高度值。遍歷DLG數(shù)據(jù)庫(kù)的每個(gè)建筑物面，即可獲取每個(gè)建筑物高度。

建筑物的頂部紋理提取，直接關(guān)聯(lián)定位點(diǎn)與建筑物面，利用建筑物面裁切DOM即可獲得。

4 實(shí)例分析

4.1 作業(yè)流程

基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物高度提取方法如圖4所示。

圖4 作業(yè)流程圖

4.2 實(shí)驗(yàn)與成果

寧波市海曙區(qū)江夏街道天封社區(qū)，地處寧波市繁華的商業(yè)區(qū)，東臨奉化江、西接解放南路、北靠大沙泥街、南至蓮橋街，具體范圍如圖5所示，總面積約0.41 km2。屬居住密集型社區(qū)。本文利用天封社區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行了建筑物高度提取作業(yè)。

圖5 天封社區(qū)作業(yè)范圍

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)共有獨(dú)立建筑物128幢，主要為住宅小區(qū)，含少量商業(yè)建筑。整個(gè)作業(yè)流程共消耗1 h，其中建筑物頂部高程的人工提取花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，自動(dòng)處理僅需10 min，全程未進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)。經(jīng)外業(yè)設(shè)站檢查，建筑物高度的中誤差為±7.6 cm，無(wú)粗差。城市建筑物高度精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，具體建筑物高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 城市建筑物高度精度統(tǒng)計(jì)表

表2 城市建筑物相對(duì)高度統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)探索和研究利用高精度激光點(diǎn)云快速提取建筑物高度的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)方式獲取建筑物高度，建筑物高度中誤差優(yōu)于±102cm，不僅滿足精度要求，還極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了效率。此外，該方法對(duì)于日后普查成果在城市規(guī)劃、管理、安全、應(yīng)急等的廣泛應(yīng)用，以及如何科學(xué)布局工業(yè)化、城鎮(zhèn)化，如何統(tǒng)籌規(guī)劃、合理利用國(guó)土發(fā)展空間、如何有效推進(jìn)重大工程建設(shè)和地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等至關(guān)重要。

現(xiàn)在的建筑物設(shè)計(jì)和建造非常復(fù)雜，其頂部的判斷難以形成普適性較強(qiáng)的規(guī)則集，對(duì)建筑物頂部的判斷和高程量測(cè)工作仍舊需要一定的人力干預(yù)，而且僅有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Terrasolid是基于MicrostationV8平臺(tái)開(kāi)發(fā)，在一定程度上制約了自動(dòng)化提取的插件開(kāi)發(fā)。如何快速自動(dòng)地提取建筑物頂部高程，便于日后在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中能夠?qū)崿F(xiàn)快速、有效的數(shù)據(jù)更新，仍舊是值得研究的一項(xiàng)課題。作者日后將針對(duì)建筑物高度的自動(dòng)提取、自動(dòng)化三維建模進(jìn)行探索，并嘗試在目前支持激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的AutoCAD2010平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便易用的插件。

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P225

B

1672-4623（2017）02-0052-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.017

2015-01-07。

葉子偉，高級(jí)工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感、城市仿真、地理國(guó)情普查等工作。