基于Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的城市三維模型構(gòu)建

牛建國

（河北省第二測(cè)繪院，石家莊050000）

1 傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)與Lidar數(shù)據(jù)、傾斜攝影

1.1 傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)

構(gòu)建城市三維模型離不開大量數(shù)據(jù)支持，因此，空間信息獲取技術(shù)決定了城市三維建模的發(fā)展。傳統(tǒng)的空間信息獲取技術(shù)主要有傳統(tǒng)測(cè)量方法、二維矢量圖、航空攝影技術(shù)、三維激光掃描4種：（1）全站儀、RTK技術(shù)等均屬于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，將利用這些測(cè)量方法獲取的城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件后，可完成城市模型的構(gòu)建工作。（2）二維矢量圖可對(duì)城市已有地形圖、城市規(guī)劃圖進(jìn)行掃描，然后依據(jù)高度輔助數(shù)據(jù)建立建筑模型。通常而言，房屋的高度可通過層高推算。這一信息獲取技術(shù)僅適用于建模精度要求不高的情況。（3）航空攝影技術(shù)是借助航空攝影技術(shù)獲取城市航空影像，再通過一定的數(shù)據(jù)處理過程為城市三維模型的構(gòu)建提供依據(jù)。（4）三維激光掃描方式可以快速獲取地面大面積的三維點(diǎn)云，將這些城市數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中，可更方便快捷地構(gòu)建三維模型。

1.2 Lidar數(shù)據(jù)與傾斜攝影

Lidar系統(tǒng)以飛行器為載體，是一種新型對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，主要通過掃描地球表面獲取地球表面的信息與數(shù)據(jù)。較之傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)，Lidar系統(tǒng)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度與密度更高[1]。借助激光測(cè)距技術(shù)、動(dòng)態(tài)GLASS定位技術(shù)與慣性測(cè)量技術(shù)，Lidar系統(tǒng)可通過對(duì)系統(tǒng)的同步控制推動(dòng)數(shù)據(jù)同步處理的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而還完成定位流程。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可在同一時(shí)間從正下、前、后、左、右不同方向與地面構(gòu)成一定角度后獲取地面影像數(shù)據(jù)，因此，其屬于一種多角度觀測(cè)的攝影測(cè)量技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)不僅可獲取被攝區(qū)域的正射影像，還可獲取被攝區(qū)域的傾斜影像，還可記錄拍攝點(diǎn)位的位置信息，以此在后期數(shù)據(jù)處理中實(shí)現(xiàn)影像的空間定位。但是，傾斜攝影無法將某些建筑物模型單獨(dú)分離，因而無法滿足對(duì)單個(gè)建筑物進(jìn)行分析管理的需求。相較于Lidar技術(shù)獲得的高精度三維點(diǎn)位坐標(biāo)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)精度較低，無法為構(gòu)建城市三維模型提供數(shù)字高程模型。

2 城市三維模型構(gòu)建技術(shù)

在三維模型構(gòu)建和真實(shí)紋理制作方面，Lidar數(shù)據(jù)具有可以快速高效獲得大量密集地面三維點(diǎn)云的優(yōu)勢(shì)，因而其在地表密集三維模型構(gòu)建中具有廣泛的應(yīng)用。傾斜攝影則可通過獲得地表建筑景觀的多視角紋理更方便地制作三維模型的真實(shí)紋理。具體過程為：（1）利用機(jī)載Lidar采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助傾斜攝影技術(shù)采集原始建筑數(shù)據(jù)；（2）對(duì)Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理與分類，甄選其中的建筑物、橋梁、樹木、道路等地物類型，初步構(gòu)建起地物的三維模型；（3）在Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影獲得建筑影像相結(jié)合的基礎(chǔ)上制作DOM（數(shù)字正射影像圖）；（4）利用傾斜影像與地物三維模型構(gòu)建起建筑物貼圖模型、沿街要素模型與樹木模型。

3 DEM（數(shù)字高程模型）與DOM的生成

3.1 原始數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

根據(jù)攝區(qū)范圍，需要采用Aroute設(shè)計(jì)軟件在充分考慮航帶長度、太陽角、光線強(qiáng)度和地面高程變化等因素的前提下進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。正式飛行前，應(yīng)仔細(xì)檢查所有設(shè)備的安裝與參數(shù)設(shè)置，補(bǔ)攝與重?cái)z均應(yīng)按照原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行，且補(bǔ)攝航線的長度需滿足用戶區(qū)域網(wǎng)對(duì)空三加密的要求。飛行結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)下載飛行記錄數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行輻射糾正與勻色處理。

3.2 空三加密

計(jì)算區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差，首先，需將輸出工程區(qū)像片的初試外方位元素引入像控點(diǎn)大地坐標(biāo)，然后將IMU/DGPS輔助航空攝影得到的6個(gè)外方位元素作為帶權(quán)觀測(cè)值參與平差計(jì)算中，這一過程中需應(yīng)用加密成果進(jìn)行定向?？杖用芟到y(tǒng)除可自動(dòng)進(jìn)行空三區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)匹配，還可利用點(diǎn)匹配的結(jié)果與初始外方位元素進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。

3.3 點(diǎn)云分類

為了將飛機(jī)航行時(shí)的飛行姿態(tài)與掃描位置等空間位置信息一一還原，需利用IPAS PRO軟件將空中原始數(shù)據(jù)解壓，并在GrafNav軟件中對(duì)空中和地面基站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行插分融合處理。激光原始數(shù)據(jù)的處理主要應(yīng)用ALS Post Processing軟件，WGS84坐標(biāo)與項(xiàng)目所在的UTM坐標(biāo)帶可確保激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得地理坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)噪聲點(diǎn)的處理。人工去除噪點(diǎn)后即可形成DSM，通過宏定義的建立來完成植被初分類工作。

Terrascan與Terramodel軟件可自動(dòng)完成去除點(diǎn)云噪聲與地面點(diǎn)分類工作，此后再經(jīng)過少量人工編輯即可將處理不正確的數(shù)據(jù)編輯到正確的數(shù)據(jù)層。在完成上述一系列數(shù)據(jù)處理工序后，即可獲得更為高效、精確的地面數(shù)據(jù)，植被覆蓋區(qū)域DEM的精度由此可得到保證。利用GPR和DEM數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行糾正，以此獲取正射影像。

4 三維模型構(gòu)建

4.1 地面建模

作為整個(gè)城市三維模型的底層，地形模型起到重要的支撐作用，其他三維模型均需放置在地形模型之上。地形模型的精度對(duì)城市空間分析有直接的影響，同時(shí)可避免與建筑物模型交錯(cuò)。在Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的基礎(chǔ)上完成的地形三維建模，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)后會(huì)形成數(shù)據(jù)孔洞，此時(shí)需對(duì)濾波后的點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插。為增加地形精度并為日后的編輯工作提供便利，應(yīng)才用距離權(quán)重法將地面點(diǎn)內(nèi)插成1m×1m的規(guī)則格網(wǎng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，還需按照一定的圖廓?jiǎng)澐諨OM和規(guī)則格網(wǎng)，將其劃分在同一個(gè)圖廓?dú)w屬為一個(gè)對(duì)象，即對(duì)象化地形模型以實(shí)現(xiàn)對(duì)地形模型的有效管理[2]。

4.2 建筑物建模

作為城市三維模型的主要元素，進(jìn)行建筑物建模時(shí)，應(yīng)充分考慮后期的模型編輯與更新。因此，應(yīng)將建筑物模型制作為單體線框模型，與地面模型一樣采用面向?qū)ο蟮男问竭M(jìn)行管理。如前文所述，Lidar數(shù)據(jù)技術(shù)中的點(diǎn)云擁有高精度坐標(biāo)，但描述建筑物的輪廓能力十分有限，因此，還需根據(jù)傾斜攝影獲取的建筑影像勾勒建筑物的輪廓。

對(duì)于高層建筑，根據(jù)影像勾勒出的建筑物輪廓往往會(huì)因投影差而與實(shí)際坐標(biāo)產(chǎn)生細(xì)微的差別，因此，需將輪廓移動(dòng)至點(diǎn)云邊界。單獨(dú)依靠建筑物輪廓信息無法建模，因此，高程和建筑物的高度信息必不可少。對(duì)此，可充分利用機(jī)載Lidar技術(shù)獲取建筑物頂面以及側(cè)面和地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，機(jī)載Lidar與傾斜攝影相結(jié)合的城市實(shí)景三維建模方法具有精度高、成本低、增強(qiáng)模型真實(shí)感的優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中，勾勒建筑物輪廓及確定建筑物高度時(shí)手動(dòng)操作較多，因而工作效率較為低下。針對(duì)這一問題，域內(nèi)專家學(xué)者應(yīng)進(jìn)一步深入研究建筑物輪廓線的自動(dòng)提取。