基于激光雷達(dá)在數(shù)字城市三維建筑物建模中的應(yīng)用研究

錢(qián)景山

摘要;激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市三維建筑物建模技術(shù)中應(yīng)用對(duì)于數(shù)字城市建設(shè)效果優(yōu)化有非常重要的作用，也有利于現(xiàn)代城市建設(shè)發(fā)展。本文筆者針對(duì)數(shù)字城市三維建筑物建模進(jìn)行分析研究，文章中簡(jiǎn)要闡述了激光雷達(dá)技術(shù)以及數(shù)字城市，并總結(jié)了激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市三維建筑物建模中的應(yīng)用要點(diǎn)，并以具體案例分析了激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市三維建筑物建模中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵字;激光雷達(dá)技術(shù);三維建模;數(shù)字城市建設(shè)

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步城市建設(shè)也隨之發(fā)展，數(shù)字化城市建設(shè)是當(dāng)前城市建設(shè)的重要發(fā)展方向，對(duì)于城市合理規(guī)劃以及城市建設(shè)發(fā)展也都有十分重要的作用。而在數(shù)字城市建設(shè)中，利用激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市三維建模，為后續(xù)的城市具體建設(shè)發(fā)展打好基礎(chǔ)。通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市相關(guān)信息采集，并做到模型建設(shè)設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而保證模型設(shè)計(jì)建設(shè)更加合理。

1.激光雷達(dá)技術(shù)與數(shù)字城市建設(shè)闡述

1.1激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)單闡述

激光雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)前社會(huì)建設(shè)中應(yīng)用的重要技術(shù)，也是現(xiàn)代遙感技術(shù)的新發(fā)展，對(duì)于遙感技術(shù)應(yīng)用有重要的影響。在當(dāng)前激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，主要是應(yīng)用到地理測(cè)繪以及城市建設(shè)當(dāng)中，對(duì)于地理測(cè)繪工作效率提升以及精度提升都有重要的作用。

激光雷達(dá)技術(shù)具體應(yīng)用的過(guò)程中，主要是利用光度學(xué)原理、輻射度學(xué)原理、激光雷達(dá)探測(cè)原理實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用，并且利用激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采集和信息處理，并最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模和仿真。在當(dāng)前數(shù)字化城市建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用非常關(guān)鍵。利用LIDAR系統(tǒng)構(gòu)建，可以完成對(duì)數(shù)字城市的整體測(cè)繪掃描，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的合理建模，對(duì)于數(shù)字智慧城市建設(shè)發(fā)展有非常重要的作用[1]。

1.2數(shù)字城市建設(shè)分析

數(shù)字城市建設(shè)理念是當(dāng)前城市建設(shè)發(fā)展的重要方向，也是智慧城市建設(shè)的主要方向之一，是城市未來(lái)建設(shè)的重要方向，一定程度上也保證城市建設(shè)更加合理。數(shù)字城市發(fā)展建設(shè)在現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)之上形成，對(duì)于數(shù)字化城市建設(shè)發(fā)展也到了關(guān)鍵的作用，一定程度上直接關(guān)系到城市建設(shè)的發(fā)展應(yīng)用。在數(shù)字城市建設(shè)中，主要應(yīng)用有現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、工程測(cè)量技術(shù)、仿真虛擬技術(shù)等，數(shù)字城市建設(shè)可以利用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市數(shù)字處理，有利于城市建設(shè)中應(yīng)用城市數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，提高城市規(guī)劃建設(shè)效果，對(duì)于整個(gè)城市發(fā)展建設(shè)而言也起到了重要的作用[2]。

2.激光雷達(dá)技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用分析

激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市三維模型建設(shè)中應(yīng)用，對(duì)于數(shù)字城市建設(shè)發(fā)展有非常重要的影響，一定程度上也關(guān)系到城市發(fā)展建設(shè)效果。

2.1數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用

三維建筑建模過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)于后續(xù)的三維建模有非常重要的影響。在實(shí)際的雷達(dá)激光技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，主要完成以下幾個(gè)方面工作。首先，在數(shù)據(jù)采集完畢之后利用到GPS/IMU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)合結(jié)算，從而有效的采集到數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的城市坐標(biāo)以及城市軌跡信息。其次，利用激光雷達(dá)技術(shù)商業(yè)處理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面數(shù)據(jù)和建筑物數(shù)據(jù)及植被等數(shù)據(jù)的合理采集和分離，清晰的劃分多種分類(lèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)利用地面數(shù)據(jù)完成DEM制作和影像外方位數(shù)據(jù)的精度調(diào)整。最后，基于分類(lèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM在cass下提取各物方邊界線和輪廓線，完成高精度的矢量圖制作。

2.2三維模型建立

信息預(yù)處理完畢之后，就要進(jìn)行三維模型建立。利用激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字城市的整體模型建立，從而保證三維模型確定更加精準(zhǔn)，也會(huì)在一定程度上提升三維模型的建設(shè)精度。首先，在前期數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了影像多方位數(shù)據(jù)的合理采集和控制，但是其在整體建筑三維模型中應(yīng)用，還存在有精度不足問(wèn)題，而在激光雷達(dá)軟件應(yīng)用后，利用純地表數(shù)據(jù)與之前的影像外方位數(shù)據(jù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)影像外方位數(shù)據(jù)的精度調(diào)整，并且融合建設(shè)成城市三維建模系統(tǒng)中的地表DOM。而在整個(gè)城市三維模型系統(tǒng)構(gòu)建中實(shí)際DOM+DEM就是地表三維模型形狀。在該模型中不僅包括有地表地形信息、同時(shí)還有城市三維模型高程信息，實(shí)現(xiàn)了模型空間立體化建設(shè)。其次，基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)矢量數(shù)據(jù)（建筑物）進(jìn)行白模處理和制作，完成城市建筑物模型精度優(yōu)化，通過(guò)模型精度優(yōu)化，保證城市三維建筑模型建立更加合理。最后，利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)地表模型和建筑物模型進(jìn)行導(dǎo)入、整合及精化編輯，快速的實(shí)現(xiàn)城市建筑三維模型的建立。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用過(guò)程中，其主要對(duì)建筑物位置信息進(jìn)行合理采集，并對(duì)三維建模中的建筑物整體輪廓清晰度進(jìn)行優(yōu)化，保證三維建模技術(shù)應(yīng)用更加高效，也能夠在最大程度上實(shí)現(xiàn)三維建模技術(shù)效果優(yōu)化。

2.3三維建筑模型紋理貼圖

激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，可以利用三維模型紋理貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)最終的模型確立，對(duì)于模型應(yīng)用建設(shè)而言也有非常重要的作用，也會(huì)在最大程度上實(shí)現(xiàn)三維建筑模型優(yōu)化。在當(dāng)前三維模型紋理貼圖過(guò)程中，主要采用手動(dòng)粘貼以及紋理映射的手段進(jìn)行紋理粘貼。如，實(shí)際的紋理映射過(guò)程中，選擇應(yīng)用傾斜航空攝影方式進(jìn)行紋理攝影，從而實(shí)現(xiàn)紋理信息采集，最大程度上提高三維建筑模型技術(shù)應(yīng)用效果。

3.激光雷達(dá)技術(shù)在惠州市某區(qū)域智慧城市建設(shè)中的具體應(yīng)用

3.1案例分析

惠州市某區(qū)域在進(jìn)行智慧城市建設(shè)的過(guò)程中，選擇應(yīng)用雷達(dá)激光技術(shù)進(jìn)行三維建模。在工程中應(yīng)用了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜航空攝影技術(shù)、柵格矢量化、房屋白模制作、DEM制作、DOM制作等測(cè)量測(cè)繪技術(shù)。以下是激光技術(shù)應(yīng)用的具體分析。

3.2激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用流程分析

3.2.1城市三維模型原始數(shù)據(jù)獲取

利用大鵬CW-30航攝設(shè)備、SONY ILCE-7R傾斜數(shù)碼航攝儀、GPS解算軟件、GPS接收機(jī)等設(shè)備獲取原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及原始影像數(shù)據(jù)等。通過(guò)合理的技術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，保證后續(xù)的建模工作更有效率。

3.2.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)：

本項(xiàng)目實(shí)施展開(kāi)過(guò)程中，先利用Miscrostation+Terrasolid及GPS解算等軟件對(duì)點(diǎn)云、影像等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括GPS/IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、影像空三解算、點(diǎn)云糾正與分類(lèi)、DEM及1：1000 DOM制作等處理過(guò)程。其次，利用處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用CAD作圖軟件對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的建筑物進(jìn)行三維線繪制，繪制完成后，通過(guò)Sketchup軟件對(duì)三維線數(shù)據(jù)進(jìn)行白模處理和制作，同時(shí)對(duì)植被、道路等點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像進(jìn)行融合建模處理。最后，利用軟件對(duì)地表模型、植被模型及建筑模型等進(jìn)行整合、細(xì)部編輯及紋理映射。在整個(gè)城市三維模型建立過(guò)程中，也需要對(duì)采集的WGS84坐標(biāo)、影像方位以及外方位元素進(jìn)行合理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)模型的構(gòu)建。通過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，保證建模數(shù)據(jù)處理更合理更有效。

該城市三維模型經(jīng)過(guò)內(nèi)外業(yè)檢測(cè)對(duì)比分析，其模型結(jié)構(gòu)完整，紋理清晰，無(wú)絕對(duì)漏洞;建筑物平面位置精度中誤差為0.21m，小于限差0.60m;高程中誤差0.12m，小于限差0.50m;城市三維模型成果質(zhì)量可靠，精度良好?；诩す饫走_(dá)技術(shù)的三維模型，它的高程精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傾斜攝影建模及傳統(tǒng)建模的精度的?；葜菔心硡^(qū)域三維建模通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，能有效增強(qiáng)模型真實(shí)感，提高精度和效率，對(duì)于惠州市智慧城市合理性建設(shè)有非常重要的作用。以下圖4是本項(xiàng)目應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)后的三維建模圖案。

結(jié)束語(yǔ)

本文筆者對(duì)智慧數(shù)字城市建設(shè)進(jìn)行分析研究，利用激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維建模精度效率優(yōu)化和精度優(yōu)化，對(duì)于數(shù)字化城市建設(shè)發(fā)展也起到了關(guān)鍵的作用，一定程度上直接關(guān)系到城市建設(shè)的發(fā)展應(yīng)用。

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