基于機(jī)載LiDAR和傾斜影像的城市三維建模方法

王旭科 閆世偉 李艷芳 李 龍

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730021)

0 引言

近兩年,“數(shù)字孿生”城市作為建設(shè)新型智慧城市的一條技術(shù)路徑,為越來越多的城市和廠商采用[1]。“數(shù)字孿生”城市是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字空間,再造一個(gè)與現(xiàn)實(shí)物理城市匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)字城市,實(shí)現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市的一一對(duì)應(yīng)。城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化,其核心地理信息數(shù)據(jù)之一是高度仿真的城市三維模型?？焖?、大面積進(jìn)行城市三維建模已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[2]。傾斜攝影是近年來逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法進(jìn)行三維建模的新技術(shù),它在一架飛機(jī)上攜帶多個(gè)傳感器,在同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)從一個(gè)垂直面和四個(gè)傾斜面的角度采集地表影像數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,形成城市三維模型[3]。機(jī)載LiDAR(Light Detection And Ranging,LiDAR)技術(shù)是一種非接觸主動(dòng)對(duì)地觀測(cè)技術(shù),可以直接獲取地物目標(biāo)的三維空間信息,并且具有受氣候影響小,數(shù)據(jù)精度高和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文在深入研究這兩項(xiàng)技術(shù)后,探討利用機(jī)載LiDAR和傾斜影像進(jìn)行互補(bǔ)融合,構(gòu)建城市三維模型的方法,為相關(guān)工程提供技術(shù)參考。

1 常見的幾種三維建模方法比較

城市三維模型作為地理信息重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建模方法也隨著技術(shù)的升級(jí)而更新。三維建模的方法主要有傳統(tǒng)手工建模、傾斜攝影自動(dòng)建模和傾斜攝影結(jié)合LiDAR建模[5]。傳統(tǒng)手工建模是利用大比例數(shù)字線劃圖、航空影像、三維建模軟件以及實(shí)拍照片,人工建模;傾斜攝影自動(dòng)建模是直接借助傾斜攝影技術(shù),獲取地表影像后,通過自動(dòng)建模軟件進(jìn)行建模;傾斜攝影結(jié)合機(jī)載LiDAR建模是由于傾斜攝影自動(dòng)建模常導(dǎo)致三維模型局部細(xì)節(jié)變形,利用機(jī)載LiDAR形成點(diǎn)云自動(dòng)提取地物三維模型,傾斜攝影自動(dòng)提取側(cè)面紋理,通過兩個(gè)技術(shù)相融合,建模的效果較好。三種建模方法對(duì)比如表1所示。

表1 三維建模方法對(duì)比示意表

2 技術(shù)路線

基于機(jī)載LiDAR和傾斜影像進(jìn)行城市三維建模的技術(shù)路線圖如圖1所示。主要包括四個(gè)階段:前期準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集和處理階段、城市三維建模階段和城市模型成果檢查驗(yàn)收階段。

(1)前期準(zhǔn)備階段是傾斜攝影和機(jī)載LiDAR相關(guān)資料收集整理,包括文檔的編寫和航飛準(zhǔn)備。

圖1 城市三維模型建模技術(shù)路線示意圖

文檔編寫是完善整個(gè)項(xiàng)目的工作計(jì)劃、技術(shù)路線、作業(yè)要求、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容;航飛準(zhǔn)備包括對(duì)攝區(qū)進(jìn)行基本情況分析,包括攝區(qū)范圍、分區(qū)、天氣情況和空域分析等,設(shè)備配置有數(shù)字航攝儀、GPS/IMU系統(tǒng)、地面基站等,人員配置包括項(xiàng)目總指揮、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、機(jī)長(zhǎng)等人員。

(2)數(shù)據(jù)采集和處理階段包括機(jī)載LiDAR航空攝影數(shù)據(jù)處理和傾斜航空攝影數(shù)據(jù)處理。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理核心是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理,通過對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類,分成地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)用來生成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù),非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)用來生成DBM數(shù)據(jù)。傾斜航空攝影數(shù)據(jù)處理核心是提取建筑物的紋理數(shù)據(jù),通過對(duì)紋理數(shù)據(jù)的編輯處理,形成可以為模型進(jìn)行貼圖。同時(shí),對(duì)不合格的紋理,進(jìn)行補(bǔ)拍。

(3)城市三維模型建模階段,利用第二階段的數(shù)據(jù)處理形成的DEM數(shù)據(jù)、DBM數(shù)據(jù)以及紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模,形成城市三維模型。

(4)城市三維模型檢查驗(yàn)收階段，對(duì)城市三維模型進(jìn)行質(zhì)量檢查。一方面通過各種檢查指標(biāo)去判斷模型質(zhì)量,另一方面是通過外業(yè)核實(shí)去判斷模型質(zhì)量。對(duì)于合格的城市三維模型進(jìn)行驗(yàn)收,不合格返回重新制作。

3 航空攝影關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)是對(duì)攝區(qū)的位置、范圍、高程以及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體要求如下:基于攝區(qū)DEM進(jìn)行航攝設(shè)計(jì),航攝基準(zhǔn)面取攝區(qū)最低點(diǎn)加平均建筑高度,攝區(qū)最低點(diǎn)分辨率優(yōu)于8 cm,以獲得更優(yōu)秀的原始影像;在設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮最高點(diǎn)重疊要求,最高點(diǎn)考慮到地形高點(diǎn)以及高大建筑物,以保證高大建筑物頂端建模精細(xì)程度;根據(jù)實(shí)際地形最高點(diǎn)高程及分布和空域要求等詳細(xì)調(diào)整,測(cè)區(qū)內(nèi)的絕對(duì)航高、航向及旁向重疊度、航線間隔、航線條數(shù)、航線長(zhǎng)度、起算面GSD、像片數(shù)等航攝因子[6]。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理

RCD30 傾斜航攝儀的影像處理主要包括影像色彩調(diào)整和格式轉(zhuǎn)換。從MM30里下載影像,下載的過程中利用quality check模塊快速查看影像質(zhì)量,將下載后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成TIFF格式。在影像窗口調(diào)整影像色彩參數(shù)Offset、Gain、Gamma,調(diào)節(jié)影像色彩到最理想狀態(tài),將最終參數(shù)輸入到settings/preference。最后選中TIFF影像,進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 三維建模生產(chǎn)流程關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 LiDAR點(diǎn)云分類

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是機(jī)載LiDAR通過對(duì)地表進(jìn)行掃描而獲取的三維激光數(shù)據(jù),是制作DEM和DBM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)所反映的位置不同,有的為建筑物,有的為植被,有的為水面,所以需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[7]。目前通常將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為兩類,一類是地面點(diǎn)云,另一類是非地面點(diǎn)云。地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)是反映地面真實(shí)起伏,落于裸地表面的點(diǎn),如橋梁、田埂、道路等點(diǎn);非地面點(diǎn)是沒有落于裸地表面的點(diǎn),如電線桿、路燈、建筑物等點(diǎn)。LiDAR點(diǎn)云分類流程如圖2所示。

圖2 LiDAR點(diǎn)云分類流程示意圖

4.2 數(shù)字高程模型(DEM)生產(chǎn)

DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)主要包括四個(gè)步驟:機(jī)載LiDAR點(diǎn)云分類,生成數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM),查找異常點(diǎn)云以及構(gòu)建三角網(wǎng),生成DEM數(shù)據(jù)[8]。具體制作流程一是通過機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,形成點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行點(diǎn)云分類,提取出地面點(diǎn)云數(shù)據(jù);二是通過航跡線、影像時(shí)間文件、照相參數(shù)文件等,生成imagelist文件,從而構(gòu)建DOM;三是在數(shù)字地面模型基礎(chǔ)上,參照DOM數(shù)據(jù),檢查存在異常區(qū)域,人工編輯異常點(diǎn);最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng),進(jìn)行內(nèi)插后形成DEM數(shù)據(jù)。具體流程圖如圖3所示。

圖3 DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程示意圖

4.3 建筑體框模型(DBM)生產(chǎn)

建筑體框模型是建筑三維立體骨架的矢量表示,沒有紋理,是城市三維建模的基礎(chǔ)成果。具體生產(chǎn)流程,一是利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云細(xì)分后的建筑物類、DOM數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃地圖(Digital Line Graphic，DLG)數(shù)據(jù),自動(dòng)生成建筑物屋頂模型;二是參考DLG數(shù)據(jù)、機(jī)載LiDAR點(diǎn)云、傾斜影像,利用Terrascan軟件進(jìn)行建模,對(duì)之前生成的建筑物模型的形態(tài)、外輪廓邊界、位置、空間關(guān)系等進(jìn)行修改,制作服務(wù)建筑物體框建模規(guī)范的產(chǎn)品,三是導(dǎo)入3DMax軟件進(jìn)行模型質(zhì)量?jī)?yōu)化,完成DBM制作。圖4是DBM成果示意圖。

圖4 DBM模型成果示意圖

4.4 傾斜影像紋理提取

本文獲取的傾斜影像主要是為了提取建筑物、交通等地物的紋理,改變傳統(tǒng)靠人工拍照獲得紋理的原始方法[9]。通常情況下,傾斜影像重疊度在60%以上,一個(gè)地物可以提取8～10張影像進(jìn)行紋理提取;90%的重疊度以上,一個(gè)地物可以提取20～25張影像進(jìn)行提取紋理,能夠充分滿足建模時(shí)期紋理貼圖的需要。當(dāng)遇到因高建筑物遮擋無法獲得影像時(shí),需人工對(duì)該建筑物區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)拍,以獲得紋理。

4.5 傾斜影像紋理貼圖

三維建筑體框模型建模完成之后,首先,為了滿足紋理貼圖需要,需對(duì)體框模型細(xì)節(jié)進(jìn)行微調(diào),如旋轉(zhuǎn)體框模型位置、對(duì)體框模型多余的面進(jìn)行去除,減少模型的數(shù)據(jù)量。其次,傾斜影像紋理則需根據(jù)建筑物的關(guān)鍵點(diǎn),人工進(jìn)行匹配,裁剪影像紋理,建立影像紋理索引。再次,將影像紋理貼圖到三維建筑體框模型上。最后,還需要對(duì)其進(jìn)一步修改,將不合理有缺陷的模型重新貼圖。圖5是城市三維模型成果示意圖。

圖5 城市三維模型成果示意圖

5 質(zhì)量控制

5.1 質(zhì)量檢查

城市三維模型檢查是整個(gè)項(xiàng)目重要的一環(huán),直接關(guān)系成果的優(yōu)劣。成立檢查小組,對(duì)各工序從頭至尾進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)不合格,不能繼續(xù)檢查下一階段。質(zhì)量檢查的內(nèi)容包括機(jī)載LiDAR點(diǎn)云檢查、DEM成果檢查、空三加密檢查、城市三維體框模型檢查、傾斜影像紋理檢查以及城市三維模型成果檢查等[10]。表2是城市三維體框模型檢查內(nèi)容表。

表2 城市三維體框模型檢查內(nèi)容

5.2 外業(yè)核查

為了進(jìn)一步保證城市三維模型的質(zhì)量,還采用外業(yè)核查的方法,利用外業(yè)測(cè)繪對(duì)抽樣的三維模型進(jìn)行實(shí)測(cè),保證三維模型的精度。核查內(nèi)容包括城市三維建筑模型平面精度和高程精度、道路模型高程精度和地面模型高程精度[11]。本項(xiàng)目受檢成果共包括100個(gè)建模單元,采用分層隨機(jī)抽樣方法,抽取其中的8個(gè)樣本,在樣本中選取檢查點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過檢查,建筑模型平面精度中誤差≤0.6 m,道路模型高程精度中誤差≤0.5 m,地面模型高程精度中誤差≤0.5 m,城市三維模型成果位置高程精度滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了利用機(jī)載LiDAR和傾斜影像相融合的方式,進(jìn)行城市三維建模的方法。從成果方面看,該三維成果在較大程度上保證了三維測(cè)量精度和與現(xiàn)實(shí)世界擬真度,是目前較適合“數(shù)字孿生”城市建設(shè)的城市三維實(shí)景模型。但是,該方法也存在明顯缺點(diǎn),一是航飛一般需要兩次分別獲取機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜影像,并且還需要人工干預(yù),顯著增加了建設(shè)成本;二是該方法較比傳統(tǒng)建模方式,建模周期提高了20%～30%,但是比較傾斜影像直接建模方式,建模周期增加50%。因此,在建設(shè)城市三維模型時(shí),要綜合考慮選擇城市三維建模方式。