基于LiDAR和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維自動(dòng)化建模方法

楊明軍 康冰鋒 韓丹

摘 要：本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有激光雷達(dá)掃描技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)，通過先進(jìn)設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)研發(fā)，提出了基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物白模制作自動(dòng)化、基于SWDC-5傾斜影像空三加密快速化和建筑物紋理貼圖自動(dòng)化的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?？焖?、高效、精確的實(shí)景三維建模生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光點(diǎn)云 傾斜攝影 白模制作自動(dòng)化 紋理貼圖自動(dòng)化 實(shí)景三維建模

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（c）-0093-04

Abstract：Based on the technologies of Airborne laser-scanning and oblique photogrammetry， with the import of advanced equipment and technology research， this paper puts forward a new technical route of building white model automatically based on LiDAR point cloud data， implementing aerial triangulation quickly based on SWDC-5 images and mapping texture automatically. With this method，a large-scale， fast， efficient and accurate 3D modeling production is realized.

Key Words：Airborne laser point cloud； Oblique photogrammetry； Building white model automatically； Mapping texture automatically； Modeling of Real 3D

近年來，隨著3S（GIS/RS/GPS）技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、航空與航天技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的飛速發(fā)展，城市三維建模方法經(jīng)歷了從傳統(tǒng)人工建模到新一代全自動(dòng)數(shù)字測(cè)圖的階段，同時(shí)，數(shù)字城市、智慧城市的建設(shè)對(duì)城市三維建模在精度與時(shí)效性上提出越來越高的要求[1]。傳統(tǒng)的建模方法存在數(shù)據(jù)采集效率低、生產(chǎn)成本高、建模周期長(zhǎng)、建模精度不能保證等問題，無法滿足智慧城市建設(shè)及當(dāng)前各類市場(chǎng)應(yīng)用的高質(zhì)量快速建模需求。面對(duì)海量的城市地理信息數(shù)據(jù)，只有滿足高度自動(dòng)化建模，才能在短時(shí)間內(nèi)提供可分析的城市模型，具有時(shí)效性，才能真正應(yīng)用于智慧城市。而日益成熟的激光雷達(dá)掃描技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)使得大范圍快速、高效、精確的實(shí)景三維建模成為可能。

當(dāng)前的實(shí)景三維建模技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）航空攝影/傾斜攝影結(jié)合立體采集方式的三維建模技術(shù)：這種方式通過對(duì)正視影像進(jìn)行空三處理、建筑物三維矢量信息采集并建模、模型采用傾斜影像或紋理照片進(jìn)行貼圖的方式。這種方式建模精度高、細(xì)節(jié)豐富，模型單體化，便于后期編輯和管理，但自動(dòng)化程度低、耗時(shí)長(zhǎng)且費(fèi)用昂貴，無法進(jìn)行大范圍的快速實(shí)景三維建模[2]。

（2）傾斜攝影自動(dòng)化建模技術(shù)，其數(shù)據(jù)獲取包括兩種方式：使用多鏡頭傾斜相機(jī)采用定點(diǎn)同時(shí)曝光獲取地物頂面、立面的紋理影像[3]；使用A3相機(jī)進(jìn)行交叉飛行，兩個(gè)鏡頭圍繞中心軸作最大可達(dá)109°擺角的高速旋轉(zhuǎn)和采集，一次飛行同時(shí)獲取高分辨率的垂直和傾斜影像[4]。數(shù)據(jù)后處理使用自動(dòng)建模軟件，如Context Capture、PhotoScan、Pix4D等軟件生成三維模型。這種建模方式結(jié)構(gòu)和紋理信息真實(shí)，數(shù)據(jù)獲取效率高，建模速度快，自動(dòng)化程度高，但對(duì)軟硬件設(shè)備要求較高，成果模型為Mesh，模型邊角模糊，無法避免紋理遮蓋現(xiàn)象，并且模型三角網(wǎng)面片復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，單體化能力差，不利于模型的管理和屬性加載。

（3）傾斜攝影結(jié)合激光雷達(dá)掃描的三維建模技術(shù)：根據(jù)激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云制作白模，結(jié)合空三后的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖。這種方式點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取不受天氣影響、高程精度高、建模速度快、模型單體化且要素全面[5]，但自動(dòng)化建模和貼圖處理尚有改進(jìn)空間。

為了更好地服務(wù)數(shù)字城市的建設(shè)和管理，快速實(shí)現(xiàn)大范圍、高質(zhì)量的實(shí)景三維建模，本文以傾斜攝影結(jié)合激光雷達(dá)掃描的三維建模技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合利用激光雷達(dá)和傾斜攝影的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)先進(jìn)機(jī)載激光雷達(dá)掃描設(shè)備RIEGL LMS-Q1560和傾斜攝影設(shè)備SWDC-5Ap100，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自動(dòng)化建模關(guān)鍵技術(shù)的研究，最終形成基于激光雷達(dá)和傾斜攝影的城市三維自動(dòng)化建模和貼圖技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)三維模型的快速構(gòu)建和自動(dòng)貼圖，并應(yīng)用于華東某城市的數(shù)字城市建設(shè)中。

1 設(shè)備引進(jìn)

1.1 RIEGL LMS-Q1560機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀

RIEGL LMS-Q1560是世界激光掃描技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)奧地利RIEGL公司（注：激光雷達(dá)設(shè)備選擇指南）推出的最新型號(hào)的雙通道機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。LMS-Q1560獨(dú)創(chuàng)性的配備雙激光頭作業(yè)，兩個(gè)通道間呈28°傾斜，通過非正下方前掃/后掃（傾斜角度約±8°）的方式，從不同角度獲取地物的高精度數(shù)據(jù)，大大減少了復(fù)雜城區(qū)高大建筑物、山體等的遮擋，能夠獲取更多有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)配合高達(dá)60°的大視場(chǎng)角，是市面上常見設(shè)備的1～2倍，數(shù)據(jù)獲取效率更高。

LMS-Q1560采用大功率激光源，最高激光脈沖發(fā)射頻率達(dá)800kHz，最大作業(yè)高度可達(dá)4700m。根據(jù)激光掃描設(shè)備誤差分析理論，較高的作業(yè)高度和較大的發(fā)射頻率會(huì)增加設(shè)備的測(cè)距不確定性[6]，RIEGL公司研發(fā)的多周期測(cè)量回波處理技術(shù)RiMTA有效的解決了這一問題，可同時(shí)處理空中10個(gè)以上脈沖信號(hào)，保證了設(shè)備在更高的高度上以更高的發(fā)射頻率作業(yè)，提高了作業(yè)效率和飛行安全性[7]。

LMS-Q1560延續(xù)其LMS系列軟件的優(yōu)勢(shì)，具備全波形數(shù)字化和波形分析技術(shù)，配合高達(dá)60°的大視場(chǎng)角，航線寬度是市場(chǎng)現(xiàn)有其他設(shè)備的1～2倍，可一次性獲取大面積的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其全波形數(shù)據(jù)，并提供了更加豐富的目標(biāo)信息，如脈沖時(shí)間、幅度、脈寬及多回波分布等全波形綜合信息，為三維城市建模、地形測(cè)繪與可視化等方面提供了更廣泛的應(yīng)用[8]。

機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)通過激光多回波獲取信息，加上激光本身具有一定的穿透性，在植被覆蓋的區(qū)域也能獲取一定數(shù)量的地面反射激光點(diǎn)。LMS-Q1560采用全波形技術(shù)，特別是植被密集區(qū)域、建筑密集區(qū)域，利用機(jī)載LiDAR的多回波探測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)所見即所得，準(zhǔn)確測(cè)量密集植被區(qū)域以及建筑側(cè)面輪廓信息，使地形表達(dá)更加豐富、細(xì)膩。

1.2 SWDC-5A p100傾斜相機(jī)

SWDC-5A p100傾斜相機(jī)是由劉先林院士帶隊(duì)指導(dǎo)研究的SWDC系列數(shù)字航攝儀的最新升級(jí)型號(hào)，設(shè)備集成了1個(gè)長(zhǎng)焦下視鏡頭和4個(gè)短焦傾斜鏡頭，傾斜安裝角度范圍為40°～45°。5個(gè)鏡頭均采用飛思1億像素可調(diào)焦距鏡頭，地面分辨率高達(dá)4.6μm，保證了各鏡頭分辨率和影像質(zhì)量一致；各鏡頭基于專業(yè)檢校場(chǎng)的精密檢校，同步時(shí)間精確到亞毫秒級(jí)，保證了數(shù)據(jù)處理的精度[9]。SWDC-5A采用Trimble AP50系列POS進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)靈活，外形輕巧，支持GPS/GLONASS/BeiDou三系統(tǒng)，徹底打消用戶在特殊時(shí)段特殊飛行區(qū)域，衛(wèi)星數(shù)量少的問題，這也極大地提高了后處理精度的穩(wěn)定性。與其他傾斜攝影技術(shù)相比，具有高效率、高精度、高集成等特點(diǎn)，適合大范圍的傾斜攝影作業(yè)。

2 傾斜攝影結(jié)合激光雷達(dá)掃描的自動(dòng)三維建模技術(shù)

2.1 技術(shù)路線

要提高傾斜攝影結(jié)合激光雷達(dá)掃描的三維建模效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化，難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)基于激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模、傾斜影像空三成果快速獲取、模型自動(dòng)貼圖。技術(shù)流程圖見圖2。

2.2 基于激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在無植被遮擋區(qū)域一般為單回波數(shù)據(jù)，在植被遮擋區(qū)域?yàn)槎嗷夭〝?shù)據(jù)，最后一次回波為地面和建筑數(shù)據(jù)。首先，將航飛獲取的原始激光點(diǎn)云按照回波次數(shù)信息分類提取，設(shè)置閾值，根據(jù)不同回波間高差進(jìn)行濾波分類，提取建筑區(qū)域[10]。其次，利用高程突變過濾方法和平面擬合過濾方法精確過濾分類出建筑物點(diǎn)云，同時(shí)可以利用回波強(qiáng)度信息和光譜信息對(duì)過濾的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化[11]。機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波分類后，對(duì)提取出的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)建筑物類型進(jìn)行區(qū)分建模。簡(jiǎn)單建筑物，如平頂屋頂、人字形屋頂、斜頂?shù)纫?guī)律性建筑通過模型驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行屋頂點(diǎn)聚類、平面擬合、邊界確定、建立模型，可普遍適用。普遍建筑物通過創(chuàng)建房屋標(biāo)準(zhǔn)樣式的方式，建立能適用項(xiàng)目所在地區(qū)普遍樣式的房屋庫(kù)。首先由人工對(duì)當(dāng)?shù)胤课輼邮竭M(jìn)行分類，創(chuàng)建其標(biāo)準(zhǔn)樣式，存入房屋庫(kù)。采用模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式對(duì)這類樣式復(fù)雜但具有規(guī)律性的建筑進(jìn)行自動(dòng)三維建模[12]。對(duì)于超復(fù)雜建筑物，如核心商業(yè)圈則在前兩種自動(dòng)建模的基礎(chǔ)上人工修改，根據(jù)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合下視、傾斜影像提高建模細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。

2.3 傾斜影像空三成果快速獲取

使用Bentley公司的Context Capture軟件對(duì)SWDC-5Ap100傾斜相機(jī)獲取的5鏡頭影像進(jìn)行自動(dòng)空三。Context Capture軟件具有自動(dòng)化程度高、像控少、精度高等特點(diǎn)[13]，其空三成果經(jīng)過轉(zhuǎn)換可得到高精度的5鏡頭影像的外方位元素。為提高自動(dòng)空三解算精度，使用大飛機(jī)搭載SWDC-5A相機(jī)獲取影像，POS使用組合導(dǎo)航后處理獲得高精度定位定姿數(shù)據(jù)。為加快自動(dòng)空三解算速度，對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理，包括畸變校正和分辨率重采樣，降低影像數(shù)據(jù)量，在保證精度的情況下，提高空三加密速度。同時(shí)，使用畸變校正后的影像，也利于后期的模型自動(dòng)貼圖。

2.4 紋理自動(dòng)貼圖

實(shí)現(xiàn)5鏡頭影像到模型的自動(dòng)紋理映射，主要包含以下步驟：（1）成果轉(zhuǎn)換：將Context Capture軟件輸出的5鏡頭影像空三成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到每張影像精確的外方位元素。（2）還原影像位置姿態(tài)：通過外方位元素還原每張影像的位置姿態(tài)，計(jì)算每張影像的覆蓋范圍（footprint）。（3）自動(dòng)采集模型上每個(gè)面片角點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)，根據(jù)每張影像的覆蓋范圍搜索包含此面片的影像；根據(jù)航線設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)搜索范圍，提高搜索效率。（4）優(yōu)選紋理：根據(jù)定義的優(yōu)選準(zhǔn)則：最優(yōu)傾斜角度值、最優(yōu)距離、最優(yōu)視角[14]等，將最優(yōu)影像自動(dòng)進(jìn)行紋理映射，并按優(yōu)先級(jí)提供備選影像。（5）人工檢查：由于可能存在建筑物、樹木遮擋等情況，需要人工檢查，對(duì)存在遮擋的紋理使用備選影像進(jìn)行替換。

3 應(yīng)用案例

3.1 測(cè)區(qū)概況

根據(jù)以上研究成果，在華北某二線城市進(jìn)行基于LiDAR和傾斜影像的實(shí)景三維建模生產(chǎn)。城市以平地為主，河流密布，建模范圍為400km2的中心城區(qū)，商圈、高層建筑密集。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

點(diǎn)云設(shè)計(jì)參數(shù)：點(diǎn)云密度：≥4點(diǎn)/m2，發(fā)射頻率350kHz，東西向飛行，旁向重疊度≥20%，相對(duì)航高1750m，航線間隔1550.27m。

傾斜影像設(shè)計(jì)參數(shù)：分辨率優(yōu)于0.05m，航向重疊度為70%，旁向重疊度為40%，相對(duì)航高870m，航線間隔348.2m。

3.3 案例效果

（1）數(shù)據(jù)采集效率分析。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，整個(gè)測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的航飛采集時(shí)間為3h，共計(jì)1個(gè)架次；傾斜影像的航飛采集時(shí)間為8.6h，共計(jì)2個(gè)架次，數(shù)據(jù)采集效率是其他建模方式的數(shù)倍。

（2）模型精度分析。

使用153個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行檢查，Mh=±0.108m，達(dá)到了1∶1000比例尺的精度要求。

建筑模型、地形全部采用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作，模型平面精度相對(duì)于最近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于0.5m，模型基準(zhǔn)面高程精度相對(duì)于最近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于0.3m。

（3）模型效果分析。

生產(chǎn)的數(shù)字成果的三維模型表面紋理信息全部采用其對(duì)應(yīng)的實(shí)景影像，紋理細(xì)節(jié)豐富，個(gè)體化特征明顯，具有高分辨率的紋理細(xì)節(jié)以及紋理的色彩均衡一致等方面的優(yōu)勢(shì)，保證了模型紋理清晰、真實(shí)，無拉花、扭曲的問題，且無重復(fù)紋理現(xiàn)象，更精確地還原了城市原有面貌。同時(shí)，生產(chǎn)的三維模型是單體化的，即地面單個(gè)物體的三維模型之間不黏連，可單獨(dú)附屬性和編輯，技術(shù)應(yīng)用廣泛，除了三維城市建設(shè)，還可用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、交通、國(guó)土、規(guī)劃、地質(zhì)、水利等多個(gè)行業(yè)，尤其在區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和智慧城市建設(shè)等大規(guī)模項(xiàng)目應(yīng)用中，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

（4）建模效率分析。

項(xiàng)目投入20人進(jìn)行三維建模、4個(gè)月完成400km2的生產(chǎn)，建模效率是當(dāng)前主要建模技術(shù)的2～4倍，建模速度快、效率高、自動(dòng)化強(qiáng)、人工干預(yù)較少。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用激光雷達(dá)和傾斜攝影的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)，通過先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)和技術(shù)、軟件研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了建筑物白模制作、傾斜影像空三加密和建筑物紋理貼圖自動(dòng)化、快速化的工藝生產(chǎn)流程，模型產(chǎn)品精度高，紋理色彩具有一致性和真實(shí)性，模型要素全面，建筑物頂部細(xì)節(jié)豐富，能夠真實(shí)反映城市原貌，不僅滿足了當(dāng)前市場(chǎng)日漸嚴(yán)苛的建模質(zhì)量要求，還將建模效率提高至現(xiàn)有技術(shù)的1.5～2倍，使大規(guī)模三維建模應(yīng)用成為可能，為應(yīng)急測(cè)繪保障、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和數(shù)字城市建設(shè)等重大測(cè)繪項(xiàng)目的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。有效提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)和建模效率，大大節(jié)約了建模周期及投入。

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