基于LiDAR與傾斜攝影測量技術的“數(shù)字遂寧”三維建模

李偉勛，黃維江

(遂寧市勘察測繪院，四川 遂寧 629000)

基于LiDAR與傾斜攝影測量技術的“數(shù)字遂寧”三維建模

李偉勛*，黃維江

(遂寧市勘察測繪院，四川 遂寧 629000)

為研究既準確又高效的創(chuàng)建三維模型的相關技術，本文利用機載激光雷達技術和傾斜攝影測量技術兩者相結(jié)合的方式進行數(shù)字實景城市的建模。采用傾斜攝影測量系統(tǒng)SWDC-5和ALS60機載激光雷達系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)和點云作為數(shù)據(jù)源，采用用ALS Post Processing軟件處理激光原始數(shù)據(jù)，LPS等數(shù)據(jù)處理平臺，建立遂寧城區(qū)及周邊 99.43 km2的街景模型，同時，提出了這種三維建模方式的應用前景。

傾斜攝影測量；LiDAR；數(shù)字城市；三維建模

1 引 言

傳統(tǒng)三維建模耗時長、成本高、地理信息較為單一、紋理失真、精度低。然而，“智慧城市”的提出需要又快又好的實景三維建模方式[1]。傾斜攝影技術是近幾年來蓬勃發(fā)展的一項新技術，相比于傳統(tǒng)航空攝影獲得的影像，它可以從多個角度采用定點同時曝光獲得影像以及地物立面的紋理信息和幾何信息。LiDAR能夠快速獲取大量密集且坐標精確的三維點云數(shù)據(jù)，其在數(shù)字城市建設中的應用十分成熟。但LiDAR缺乏紋理信息[2，3]，因此本文研究利用機載傾斜攝影數(shù)據(jù)和激光雷達數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進行數(shù)字實景城市的建模，采用相應的數(shù)據(jù)處理平臺生成了遂寧市主城區(qū)及周邊的三維模型。

2 城市實景三維建模技術

2.1總體技術路線

對于三維模型和模型真實紋理制作，LiDAR的優(yōu)勢在于快速高效地獲得大量密集地面三維點云，構建地表的密集三維模型。而傾斜攝影技術能夠獲得地表建筑景觀的多視角紋理，可以非常方便地制作三維模型的真實紋理[4]。因此，結(jié)合LiDAR技術和傾斜攝影技術是高效、高精度制作三維實景城市模型的關鍵。其總體技術路線如圖1所示。

主要技術流程如下：

(1)原始數(shù)據(jù)的獲取，即進行機載LiDAR點云數(shù)據(jù)與傾斜影像采集。

(2)對LiDAR點云進行處理和分類，判別出其中的建筑物、橋梁、樹木、道路等地物類型，初步構建地物的三維模型。

圖1 總體技術流程

(3)結(jié)合LiDAR點云與影像，制作DOM。

(4)利用傾斜影像、地物三維模型，分別構建建筑物貼圖模型、沿街要素模型和樹木模型。

3 DEM、DOM生成

3.1原始數(shù)據(jù)獲取及預處理

根據(jù)攝區(qū)范圍(如圖2所示)，使用北京四維遠見信息技術有限公司航線設計軟Aroute進行航線設計，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進行航線設計。為了避免分區(qū)造成的影像重疊不夠，使用全球ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為地形依據(jù)，格網(wǎng)間距30m，結(jié)合Google Earth影像地形數(shù)據(jù)進行航線設計。具體設計如圖3、圖4所示。

圖2 航攝范圍

圖3 LiDAR航線敷設示意圖

圖4 傾斜攝影航線敷設示意圖

飛行前應進行設備檢查，確保設備安裝和參數(shù)設置正確。補攝與重攝應按照原設計航跡進行，補攝航線的長度應滿足用戶區(qū)域網(wǎng)空三加密的要求。飛行結(jié)束后及時利用相關軟件下載影像數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)等文件。利用Phocus軟件，進行輻射糾正。利用影像勻光軟件OrthoVista對整個攝區(qū)所有像片進行勻色處理。

3.2空三加密

將輸出工程區(qū)相片的初始外方位元素引入像控點大地坐標進行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差計算，同時加入IMU/DGPS輔助航空攝影得到的六個外方位元素作為帶權觀測值參與平差，用加密成果進行定向。利用空三加密系統(tǒng)自動進行空三區(qū)域內(nèi)的點匹配；利用點匹配結(jié)果和初始外方位元素進行區(qū)域網(wǎng)平差，結(jié)合外業(yè)控制資料計算出每一張影像精確的外方位元素。

3.3點云分類

利用IPAS PRO軟件，解壓空中原始數(shù)據(jù)為GPS和IMU文件，在GrafNav軟件中把空中GPS和地面基站GPS數(shù)據(jù)進行插分融合處理，主要目的是還原航飛時的飛行姿態(tài)、掃描位置等空間位置信息。采用ALS Post Processing軟件處理激光原始數(shù)據(jù)，并選擇WGS84坐標及項目所在的UTM坐標帶。使激光點云數(shù)據(jù)獲得地理坐標，并處理噪聲點。由經(jīng)驗豐富的操作員進一步做人工的噪點去除，去除噪點形成DSM。建立宏定義進行植被的初分類，再進行初分類[5，6]。

將經(jīng)過預處理輸出的單航線激光點云數(shù)據(jù)導入Terrascan、Terramodel軟件中，通過軟件自動進行去除點云噪聲及分類地面點的處理，生成經(jīng)自動初分類的地面點云數(shù)據(jù)，為之后的精細分類提供基礎。在初分類處理的數(shù)據(jù)基礎上，通過少量人工編輯，即將自動分類中處理不正確的數(shù)據(jù)編輯到正確的數(shù)據(jù)層，獲取有效、準確的地面數(shù)據(jù)，保證植被覆蓋區(qū)域DEM精度[8]。如圖5、圖6所示。并通過人工檢查和處理后，利用Gpro和DEM數(shù)據(jù)，對影像進行糾正，獲取正射影像，如圖7所示。

圖5 DEM成果

圖6 建筑物點LiDAR分類圖

圖7 正射影像

4 三維模型構建

根據(jù)點云分類結(jié)果，構建不同的模型。

(1)精細化模型，主要包括市政設施、建筑。對精細模型的三維構建，根據(jù)點云分類的結(jié)果，分別進行有人工干預的模型構建。構建完模型之后，結(jié)合傾斜攝影影像進行建筑物的紋理貼圖，如此可以獲得建筑物的實景三維模型，如

(2)要素類模型，包括樹木、景觀、橋梁、公交車站、指示牌、路燈、垃圾桶、井蓋。對一些形狀相同的模型，可以分作為一類。如路燈、垃圾桶等，選擇具有代表性的地物制作特定的小品模型，按實際位置擺放。對景觀標志、橋梁設施、公交車站等模型，進行實地的數(shù)據(jù)采集后放置其相應位置。

5 影像貼圖

由傾斜攝影的工作原理可知該方式獲取的影像是具有地理信息，把傾斜影像坐標轉(zhuǎn)換到與精細化三維模型一致的空間坐標后，快速匹配出最佳紋理，作為建筑物的紋理進行貼圖[10]。但由于城市中的建筑物不可比避免存在相互遮擋的情況，導致部分建筑物底部和低矮的建筑無法找到準確的紋理，需采用人工補拍的方式，將完成貼圖之后的精細化模型和要素類模型，根據(jù)其坐標與DOM相結(jié)合，則可以獲得三維實景城市模型，如圖8所示。

圖8 三維場景

6 結(jié) 語

本文通過遂寧市數(shù)字城市構建的實例，研究分析了基于LiDAR和傾斜攝影技術構建三維實景城市模型的方法。該方法綜合利用機載激光雷達在獲取點云和傾斜攝影在獲取物體紋理方面的優(yōu)勢，提高了三維實景城市模型構建的效率和精度。數(shù)字實景城市的最大特點是真實直觀、精度高?；谌S實景城市數(shù)據(jù)，并且結(jié)合其他種類的空間地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，一方面可以在任何與之相關，如規(guī)劃、交通、市政、消防、反恐等城市各個行業(yè)中展開應用。另一方面憑借其準確的地理位置信息，并且精細地表達出地物的細節(jié)特征，所以在工程測量上該技術應用于建筑規(guī)劃竣工測繪，獲取三維數(shù)字信息的竣工測量成果，是未來測繪服務城市規(guī)劃管理的發(fā)展趨勢。

[1] Haala N，Kada M. An update on automatic 3D building reconstruction[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2010，65(6)：570～580.

[2] 張祖勛，張劍清. 數(shù)字攝影測量學[M]. 武漢：武漢測繪科技大學出版社，1997.

[3] 李德仁，劉立坤，邵振峰等. 集成傾斜航空攝影測量和地面移動測量技術的城市環(huán)境監(jiān)測[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2015，40(4)：427～435.

[4] 王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣. Pictometry傾斜攝影技術及其在三維城市建模中的應用[J]. 測繪與空間地理信息，2011，34(3)：181～183.

[5] 李煉. 機載LiDAR點云濾波及分類算法研究[D]. 成都：成都理工大學，2014.

[6] 劉凱斯. 機載激光LiDAR點云數(shù)據(jù)濾波和分類算法研究[D]. 北京：首都師范大學，2014.

[7] 曹飛飛. 點云濾波和特征描述技術研究[D]. 燕山大學，2014.

[8] 郭雪. 機載LiDAR點云數(shù)據(jù)濾波方法研究[D]. 西安電子科技大學，2014.

[9] 熊俊華，方源敏，付亞梁等. 機載 LiDAR 數(shù)據(jù)的建筑物三維重建技術[J]. 科學技術與工程，2011，11(1)：189～192.

[10] 閆利，程君. 傾斜影像三維重建自動紋理映射技術[J]. 遙感信息，2015( 2)：31～35.

[11] 吳軍. 三維城市建模中的建筑物墻面紋理快速重建研究[J]. 測繪學報，2005，34(4)：317～323.

Three-dimensionalModelingofDigitalSuiningBasedonLiDARandObliquePhotography

Li Weixun，Huang Weijiang

(Suining Survey and Research Institute，Suining 629000，China)

For studying accurate and efficient techniques for creating 3D models，the model of digital real city is modeled by the combination of airborne LiDAR technology and slant photogrammetry technology In this paper. The image data of tilt Photogrammetry System SWDC-5 and ALS60 airborne laser radar system and obtain the point cloud as the data source，using ALS Post Processing software processing laser original data，LPS data processing platform，the establishment of Suining city and the surrounding streetscape model 99.43 km2，At the same time，the application prospect of this 3D modeling method is put forward.

oblique photography；LiDAR；digital city；three-dimensional modeling

1672-8262(2017)05-123-04

P208.2，P234.4

A

2017—08—20

李偉勛(1970—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事地理信息系統(tǒng)、遙感、規(guī)劃信息化等方面的研究。