基于車載點云數(shù)據(jù)制作道路全要素三維實景模型

李 婷 趙 祥

(1.浙江省國土勘測規(guī)劃有限公司 浙江杭州 310030；2.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院 浙江杭州 310030)

全要素實景模型是以全要素、全空間的地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的三維空間模型和信息的有機綜合體。全要素實景模型將數(shù)據(jù)細(xì)化到城市單體建筑的一扇窗、城市道路設(shè)施的一個探頭，為城市精細(xì)化、智能化管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。與傳統(tǒng)的數(shù)字城市模型相比，全要素實景模型升級為動態(tài)、可感知且虛實交互的數(shù)字孿生城市，是智慧城市建設(shè)的新起點。全要素實景模型按照區(qū)域劃分為道路三維實景模型與非道路三維實景模型。道路三維實景模型主要是根據(jù)測量數(shù)據(jù)或設(shè)計資料來制作三維模型，表達(dá)道路、橋梁、交通軌道以及道路兩側(cè)的交通附屬設(shè)施的空間分布情況，同時反映交通相關(guān)要素的空間位置、幾何形態(tài)及其外觀效果等。

車載激光掃描系統(tǒng)能在高速移動狀態(tài)下獲取道路以及道路兩側(cè)的建筑物、樹木和交通標(biāo)牌等地物表面的精確三維信息，具有數(shù)據(jù)采集速度快、自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富等傳統(tǒng)測繪手段無可比擬的優(yōu)勢[1]。李俊超等[2]運用AutoCAD Civi13D和3ds Max Design獲取道路的三維景觀模型，秦濤等[3]利用G1S路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行道路三維參數(shù)化建模，但利用這些方法制作的三維模型存在精度受限的問題。本文以車載激光點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，制作全要素實景模型中的道路全要素實景三維模型。

1 道路全要素三維實景模型制作

1.1 技術(shù)指標(biāo)

研究區(qū)域為某城市的一個主干道，交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)達(dá)，城市道路面標(biāo)線要素豐富，道路兩側(cè)小部件種類多。使用移動車輛搭載華測AS900激光掃描系統(tǒng)采集一個車次(共16 km)的激光點云數(shù)據(jù)。

本項目道路全要素三維實景模型制作以需求導(dǎo)向為目標(biāo)，不同交通要素精度要求不同。其中，平面位置精度和高程精度均分為兩個等級，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 道路全要素三維實景模型平面位置精度和高程精度要求單位:cmTab.1 Accuracy of Plane Position and Elevation of Road Total Fators 3D IVR Models精度等級實體類別平面位置精度高程精度一級城市道路面、城市道路部件≤15≤20二級城市道路行道樹≤25≤40

1.2 道路全要素信息提取

根據(jù)現(xiàn)場實地地物的特性，道路地物類別主要分為點狀要素和線狀要素兩大類。點狀要素主要包括探頭、紅綠燈、路燈和消火栓等，線狀要素主要包括道路邊線、道路標(biāo)線、地類界線和盲道中心線等。

提取點狀要素的定位點時，定位點應(yīng)準(zhǔn)確描述其幾何定位，有向點應(yīng)確定其方位角。城市道路部件作為點狀要素進(jìn)行采集，采集流程為：首先，結(jié)合全景影像，在點云視圖中切換不同視角確認(rèn)點狀要素的具體位置，選取其中心位置，并放置點狀要素(對需要調(diào)整角度的點狀要素進(jìn)行調(diào)整)；其次，調(diào)整視角，確保最后獲得的點狀要素矢量數(shù)據(jù)的類型正確、位置準(zhǔn)確(高程為落地點高度)。

提取線狀要素的定位線時，定位線根據(jù)軌跡描繪，走向明確，銜接合理。城市道路邊線、道路標(biāo)線作為線狀要素進(jìn)行采集，采集流程為：首先，結(jié)合全景影像，在點云視圖中利用幾何信息區(qū)分有高低起伏的線狀要素(如道路邊線)；其次，利用強度信息區(qū)分強反射線狀要素(如道路標(biāo)線)，利用顏色信息區(qū)分紋理反差明顯的線狀要素(如地類界線等)；最后，切換不同視角將所有線狀要素特征點均選取在實際線狀地物寬度的中心位置，以真實反映地形起伏情況。

道路中典型部件采集及道路完整信息采集三維矢量成果如圖1所示。

圖1 道路中典型部件采集及道路完整信息采集三維矢量成果Fig.1 Collection of Road Typical Parts and 3D Vector Results of Road Complete Information Collection

1.3 道路全要素三維模型制作及精度分析

1.3.1 道路全要素三維模型制作

道路全要素三維實景模型的制作范圍為從道路一側(cè)的人行道最外側(cè)邊緣至道路另一側(cè)的人行道最外側(cè)邊緣(包含兩側(cè)人行道)，制作內(nèi)容為范圍內(nèi)的所有城市道路和道路兩側(cè)城市部件等各類要素的三維模型，主要包括交通道路要素模型和交通部件要素模型。交通道路要素模型主要包括道路(城際公路、城市道路和鄉(xiāng)村道路等)、地面上軌道交通(鐵路和輕軌等)以及橋梁(高架路、車行橋和人行橋等)；交通部件要素模型主要包括以工礦設(shè)施和交通設(shè)施為主的城市道路部件，如路燈、照射燈、紅綠燈、垃圾箱、公共取水點、電信箱、電力箱、交通禁令標(biāo)志和消防栓等。

1.3.1.1 道路部件制作

在構(gòu)建城市道路及其附屬部件三維模型場景之前需要構(gòu)建模板庫。模板庫構(gòu)建包括兩部分內(nèi)容：第一部分，利用3DMax軟件，結(jié)合影像信息獲取地物的具體形態(tài)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)獲取地物的真實尺寸，進(jìn)行白模制作；第二部分，根據(jù)現(xiàn)場實拍影像制作模型紋理，通過展UV的方式進(jìn)行模型貼圖。路燈白模制作及制作完成的模板如圖2所示。

圖2 路燈白模及構(gòu)建的模板Fig.2 White Model and Template for Construction of Street Lamps

道路部件模型包括交通紅綠燈、消火栓和路燈等。在制作此類模型時，由于面片較多，計算機內(nèi)存消耗量大，降低了3DMax軟件的靈活性，所以需要在保證模型與實物形狀一致的前提下減少模型面的數(shù)據(jù)。例如，在制作行道樹模型時，使用二叉面技術(shù)，即在行道樹模型側(cè)視圖建立兩個面，這兩個面相互垂直且有相同的紋理。這種制作方式不僅能夠提高工作效率，減少工作量，還能將樹葉與樹干外的部分設(shè)置為透明，以增加真實度，提高視覺效果。制作完成的部分城市道路部件模型如圖3所示。

圖3 部分城市道路部件模型Fig.3 Parts of City Road Component Models

1.3.1.2 道路面模型制作

利用三維矢量數(shù)據(jù)中的道路邊線、地類界、標(biāo)志標(biāo)線和高程特征點等要素構(gòu)建道路面和花壇等。首先將車道邊線、道路標(biāo)線、車位范圍線和人行橫道線等線狀要素加載到3DMax軟件中，然后通過手工方式進(jìn)行建模，制作完成的道路面模型圖4所示。建模過程中需要注意以下幾點：

圖4 部分城市道路面模型Fig.4 Parts of City Road Surface Models

1)由于道路較長，為了避免操作失誤帶來的大量返工，應(yīng)進(jìn)行分段建模，每段長度不超過500 m，切割過程只分割路面；

2)主干道上對象的平面位置和高程與矢量圖保持一致，高程起伏較大的地方需增加適量的特征點線來保證路面的精度(高差超過20 cm應(yīng)加入特征點或特征線)；

3)路口需單獨分開制作，路口起伏較大時需加入適量的高程特征點來保證路口模型的精度；

4)主干道路上的標(biāo)志標(biāo)線、花壇、橋梁、護(hù)欄、道路分隔設(shè)施、隔音板、減速帶、龍門架和安全島等地物需單體化，并且應(yīng)保證路面、標(biāo)志標(biāo)線、盲道、花壇、橋梁和柵欄等地物的無縫拼接。

1.3.1.3 道路部件擺放

通過自動或半自動的方式，根據(jù)三維矢量數(shù)據(jù)中各部件的類型、位置和朝向，將模板庫中的模型放入道路面三維場景中。在城市道路部件擺放的過程中應(yīng)注意以下事項：

1)部件按要求單體化，應(yīng)與三維矢量地形圖一一對應(yīng)(個數(shù)對應(yīng))，部件的對象名稱應(yīng)與相應(yīng)屬性表中FileName3D字段的內(nèi)容保持一致(名稱對應(yīng))。

2)部件的軸心點要與矢量提取點保持一致，部件與地面貼合，不能出現(xiàn)明顯的漂浮或過度穿插現(xiàn)象；小品部件數(shù)量、朝向和樣式(結(jié)構(gòu)、尺寸、紋理)嚴(yán)格保證與實地一致；紅綠燈、探頭和牌類(尤其是組裝式地物)在保證桿落地中心位置正確的情況下，其空間位置也要滿足相關(guān)的精度要求，與相應(yīng)位置的點云數(shù)據(jù)差距不得超過30 cm。

3)部件不能出現(xiàn)邏輯錯誤，如路牌高低位置放反，紋理貼反、貼錯等，紋理分辨率為2n個像素，且不超過 1 024×1 024個像素，地面分辨率為72 dpi；紋理貼圖文件為jpg格式，透明貼圖文件為png格式。部件加入到道路面場景中的展示效果如圖5所示。

圖5 道路三維實景模型展示效果Fig.5 Display Effects of Road 3D IVR Model

1.3.2 道路全要素三維模型質(zhì)量檢查

本項目按照100%比例對道路全要素三維實景模型進(jìn)行內(nèi)業(yè)詳查，檢查內(nèi)容包括命名檢查、精度檢查、幾何數(shù)據(jù)檢查、紋理數(shù)據(jù)檢查、屬性數(shù)據(jù)檢查和效果數(shù)據(jù)檢查。其中，命名檢查是檢查模型文件、模型和紋理的命名是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，包括模型文件名稱檢查、模型名稱檢查和紋理名稱檢查。精度檢查是在模型制作完成后對模型精度進(jìn)行檢查，包括平面位置精度檢查和高程精度檢查。幾何數(shù)據(jù)檢查是檢查模型的幾何數(shù)據(jù)是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，包括模型完整性檢查、模型正確性檢查、模型重疊面檢查和模型面數(shù)檢查。

紋理數(shù)據(jù)檢查是檢查模型的紋理數(shù)據(jù)是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，包括紋理完整性檢查、紋理正確性檢查、紋理分辨率檢查、紋理尺寸檢查、透明紋理檢查和紋理純凈度檢查。

屬性數(shù)據(jù)檢查是檢查模型的屬性數(shù)據(jù)是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，包括屬性字段檢查、字段類型檢查、屬性完整性檢查和屬性表關(guān)系檢查。效果檢查是在模型烘焙完成后進(jìn)行的檢查，包括模型亮度檢查和模型烘焙檢查。道路全要素三維實景模型可能出現(xiàn)以下質(zhì)量問題：

1)道路面的標(biāo)線與道路面不貼合，存在較多間距過大或穿插的現(xiàn)象；

2)部件模型的數(shù)量、朝向和樣式(結(jié)構(gòu)、尺寸、紋理)與實地不一致；

3)道路部件模型存在大量錯漏，如缺少人行紅綠燈、綠化內(nèi)缺控制箱等；

4)道路模型存在大量錯誤切割情況，如切割了標(biāo)志標(biāo)線和花壇等；

5)部件模型的名稱與道路地形數(shù)據(jù)中FileName3D字段內(nèi)容不一致，導(dǎo)致模型屬性無法掛接。

在本項目內(nèi)業(yè)檢查過程中，質(zhì)檢人員對檢查出的錯誤進(jìn)行標(biāo)注，并返給作業(yè)人員進(jìn)行修改，作業(yè)人員修改后再返回質(zhì)檢人員進(jìn)行核查，最后，質(zhì)檢人員還需要對修改后的道路全要素實景模型進(jìn)行核對。將制作完成的道路全要素三維實景模型與道路矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)比對，對道路全要素三維實景模型精度進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 平面位置精度與高程精度統(tǒng)計結(jié)果單位:cmTab.2 Statistical Results of the Accuracy of Plane Position and Elevation序號類別名平面位置中誤差高程中誤差1城市道路面±4.5±5.42城市部件±4.6±6.33行道樹±15.3±6.4

根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果，以車載激光點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，制作的道路全要素實景模型中的道路實景三維模型的平面位置精度與高程精度滿足項目設(shè)計要求，道路全要素三維實景模型滿足成果質(zhì)量要求。

2 結(jié) 語

車載LiDAR系統(tǒng)作為近年來發(fā)展迅速的空間三維數(shù)據(jù)采集方式，在城市道路三維數(shù)據(jù)的快速獲取上具有明顯優(yōu)勢。

本文以采集得到的某主干道車載點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，借助全景影像數(shù)據(jù)采集得到道路三維矢量數(shù)據(jù)，完成城市道路部件的白模制作與紋理映射，并利用三維矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行城市道路面模型制作與城市道路部件的位置擺放，經(jīng)過精度檢查，道路全要素三維實景模型滿足成果質(zhì)量要求。

基于車載點云數(shù)據(jù)進(jìn)行道路全要素三維實景模型制作，將大量的野外作業(yè)轉(zhuǎn)為室內(nèi)作業(yè)，降低了勞動強度與成本，同時，制作完成的精細(xì)化模型的精度和真實度更高。