基于機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)實(shí)踐

鄧興　張國(guó)清　崔衛(wèi)磊　馬子俊

摘要：根據(jù)國(guó)家實(shí)景三維建設(shè)大綱的技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)景三維建設(shè)的具體內(nèi)容和生產(chǎn)工藝等已得到進(jìn)一步的明確。全國(guó)各地試點(diǎn)均積極投入實(shí)景三維建設(shè)的實(shí)踐。結(jié)合技術(shù)大綱的要求，通過(guò)實(shí)踐，文章利用貴陽(yáng)市中心城區(qū)1：1000機(jī)載Li?DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)1m×1m高精度數(shù)字高程模型（DEM） ，同時(shí)結(jié)合數(shù)字線劃數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行單體建模，最后融合存量正射影像數(shù)據(jù)（DOM） ，構(gòu)建貴陽(yáng)市中心城區(qū)三千平方千米的基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維模型。以此構(gòu)建的地形級(jí)實(shí)景三維成果完全滿足技術(shù)大綱的基本要求，內(nèi)容豐富，精度可靠，具有實(shí)踐與借鑒意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá)；實(shí)景三維；數(shù)字高程模型；正射影像；單體化白模

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）13-0100-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

實(shí)景三維是對(duì)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分[1]。實(shí)景三維由空間數(shù)據(jù)體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和支撐環(huán)境三部分構(gòu)成，其中空間數(shù)據(jù)體包括了地理場(chǎng)景和地理實(shí)體[1-2]。實(shí)景三維建設(shè)涵蓋的內(nèi)容豐富，本文涉及的地理場(chǎng)景成果主要包括高精度數(shù)字高程模型（DEM） 、正射影像（DOM） 及單體化白模，是地形級(jí)實(shí)景三維成果的一部分。本文闡述了利用1：1000機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成高精度DEM 和單體化模型，同時(shí)融合正射影像數(shù)據(jù)（DOM） ，形成基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維成果。這項(xiàng)工作是在利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成高精度DEM和單體化白模自動(dòng)建模方面進(jìn)行探索，另一方面也是進(jìn)行實(shí)景三維建設(shè)的生產(chǎn)實(shí)踐。

1 建設(shè)思路

根據(jù)地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)的目標(biāo)，本文中的建設(shè)流程可分解為5個(gè)步驟：1） 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：包括冗余數(shù)據(jù)的消除、數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云分區(qū)分塊、數(shù)據(jù)分層分類、點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)優(yōu)化等；2） 特征點(diǎn)、線提取：在預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采集帶有高程信息的特征線（也稱斷裂線），如：建筑物邊線、道路邊線等；3） 構(gòu)造三角網(wǎng)（TIN） 、生產(chǎn)DEM：利用分類后的地面點(diǎn)高程、特征點(diǎn)（線），構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN） ，并內(nèi)插生成1m×1m格網(wǎng)的DEM成果數(shù)據(jù)[3]；4） 構(gòu)建單體化白模：利用存量數(shù)字線劃數(shù)據(jù)結(jié)合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)化建模，制作單體化白模成果；5） 生產(chǎn)基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維：融合生成的高精度DEM、存量正射影像數(shù)據(jù)及單體化白模，構(gòu)建貴陽(yáng)市中心城區(qū)三千平方千米的基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維成果[4]。技術(shù)路線如圖1所示。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本文利用1：1000激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)檢測(cè)平均點(diǎn)云密度為8.5點(diǎn)/m2、點(diǎn)云高程中誤差為0.35m，點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍約3 000平方千米。

2.1.1 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換及分塊

把原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)系統(tǒng)為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、投影方式為高斯-克呂格投影的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過(guò)全區(qū)均勻分布的控制點(diǎn)，計(jì)算出測(cè)區(qū)內(nèi)高程異常值的模型，將高程系統(tǒng)擬合到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)上，再按照分幅框生成對(duì)應(yīng)的分塊，然后根據(jù)分塊的邊界將點(diǎn)云自動(dòng)裁切，并按照?qǐng)D幅名稱對(duì)應(yīng)到分塊中，以便數(shù)據(jù)瀏覽和項(xiàng)目生產(chǎn)[5]。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)濾波及分類

利用點(diǎn)云處理專用軟件，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逐塊濾波分類，以區(qū)分出地面點(diǎn)和噪點(diǎn)等類別。根據(jù)本區(qū)域的特點(diǎn)，自動(dòng)濾波區(qū)域可劃分為以下樣地類型：市區(qū)建筑密集區(qū)、郊區(qū)廠房密集區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑物稀疏區(qū)、郊區(qū)農(nóng)田密集區(qū)、丘陵植被密集區(qū)以及山地植被密集區(qū)等[6-7]。示例如圖2所示。

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)手動(dòng)分類

對(duì)自動(dòng)分類的成果，使用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，參照已有影像數(shù)據(jù)或衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)分類濾波，獲得用于制作高精度的DEM的分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)按照1：1000比例尺DEM生產(chǎn)制作工藝要求、成果標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)表達(dá)內(nèi)容，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類如表1所示，其中地面點(diǎn)用于生成DEM。

2.1.4 特殊點(diǎn)云分類方法及分類后點(diǎn)云接邊

對(duì)于高程突變的區(qū)域，我們需通過(guò)調(diào)整參數(shù)或算法，對(duì)小面積區(qū)域重新進(jìn)行自動(dòng)分類；對(duì)于分類錯(cuò)誤的點(diǎn)，需進(jìn)行重新分類。在分類過(guò)程中，應(yīng)以點(diǎn)云切剖面為主要依據(jù)，而將影像作為輔助參考。在處理較為平滑、直線型的區(qū)域時(shí)，可以適當(dāng)放大剖面寬度；然而，在拐角處，尤其是立交橋、高架公路等接地與架空的臨界區(qū)域，為確保精確度，切剖面的寬度應(yīng)盡量縮小[3，7]。

為了保證模型接邊處地形過(guò)渡自然，應(yīng)利用Li?DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)加載圖幅結(jié)合表，隨后使用接邊工具進(jìn)行點(diǎn)云接邊，并合理設(shè)置接邊寬度，軟件自動(dòng)載入周邊圖幅設(shè)置寬度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。若遇到大面積水域時(shí)，接邊寬度的設(shè)置可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬。

2.2 高精度DEM 制作

目前，DEM成果的獲取方法主要包括：基于地面平臺(tái)的數(shù)字化地面測(cè)量；航空和衛(wèi)星平臺(tái)攝影測(cè)量與遙感等。數(shù)字化地面測(cè)量往往耗時(shí)費(fèi)力；衛(wèi)星遙感雖能獲取大區(qū)域DEM，但精度較低；航空攝影測(cè)量則對(duì)于植被覆蓋區(qū)域DEM的獲取具有一定困難。利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM作為本次使用的一種手段，其在獲取植被覆蓋區(qū)域的高精度DEM有著其他手段無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在進(jìn)行濾波分類后，能有效去除植被、建筑物等地物信息并獲取真實(shí)的地面點(diǎn)信息，進(jìn)而生成高精度高分辨率的DEM成果。

本次DEM 制作是在分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)，再在地面點(diǎn)中完成兩步重要過(guò)程，即地面點(diǎn)漏洞區(qū)域的發(fā)現(xiàn)與補(bǔ)測(cè)、特征線的采集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高精度DEM制作。

2.2.1 特征線采集

根據(jù)實(shí)際情況，采集帶有高程信息的特征線參與DEM生成。如：建筑物邊線、道路邊線、橋梁邊線、河流邊線、面狀水域范圍線等，在勾畫水域邊線時(shí)以模型最低點(diǎn)高程為準(zhǔn)[5，7]。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法獲取高程時(shí)，需要補(bǔ)測(cè)高程信息，對(duì)于不能滿足DEM產(chǎn)品精度要求的數(shù)據(jù)范圍也需要補(bǔ)測(cè)高程信息。

2.2.2 構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN） 生成DEM

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述處理后，在LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中利用已完成分類的點(diǎn)云中所有地面點(diǎn)層、人工補(bǔ)測(cè)點(diǎn)和人工勾繪的帶有高程信息的各類特征線，自動(dòng)構(gòu)建生成TIN。利用TIN，按照1米采樣間隔內(nèi)插，高程值取位至0.01米，無(wú)效值設(shè)為-9999，自動(dòng)生成1米規(guī)則格網(wǎng)的DEM成果，格式均為TIFF格式，并包含同名TFW文件。最后以圖幅為單位、外擴(kuò)20m導(dǎo)出DEM。

2.3 單體化白模制作

建筑物單體化是本次地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)的一部分，主要以白模形式表達(dá)。單體化建模主要是通過(guò)數(shù)字線劃數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)化處理，制作單體化白模成果。

2.3.1 建筑模型自動(dòng)投影

基于數(shù)字線劃數(shù)據(jù)，在海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)組織管理的基礎(chǔ)上，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字線劃數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，快速索引模型平面內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)云分割、三角網(wǎng)構(gòu)建等數(shù)據(jù)組織方法分析點(diǎn)云空間分布，計(jì)算模型平面方程，快速高效地自動(dòng)將二維線劃成果轉(zhuǎn)化為三維模型成果。其中，點(diǎn)云分割算法是點(diǎn)云三維重建中的基礎(chǔ)算法也是關(guān)鍵算法，基于法向量和距離約束的平面分割方法對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行分割，根據(jù)LiDAR點(diǎn)云二維距離特征，對(duì)種子點(diǎn)周圍點(diǎn)云進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，分割出不同的建筑物屋頂面信息，利用最小二乘計(jì)算屋頂面法向量、分析平面距離得到建筑物屋頂面拓?fù)潢P(guān)系。例如：一般房屋的矢量模型體現(xiàn)為矩形，投影后模型結(jié)構(gòu)為規(guī)則的長(zhǎng)方體。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息獲取房屋及地面高度，以地面高度為投影平面，用投影的方式自動(dòng)生成以線劃圖房屋邊界為模型側(cè)面的三維模型。如圖3為一般房屋和簡(jiǎn)單房屋模型效果圖。

2.3.2 橋梁?jiǎn)误w化

DEM和DOM數(shù)據(jù)融合后，涉及橋梁處的原始影像會(huì)形成塌陷，為保證地理場(chǎng)景的美觀，要對(duì)原始橋梁處影像進(jìn)行處理，使其與周圍地物紋理相適。同時(shí)對(duì)橋梁進(jìn)行單體化處理，使其不出現(xiàn)拉花的情況。具體步驟包括根據(jù)數(shù)字正射影像對(duì)橋梁的外側(cè)邊界進(jìn)行勾畫，確定橋梁邊界；根據(jù)激光點(diǎn)云確定橋梁的高度；根據(jù)確定的橋梁平面與高程信息，利用DPModeler軟件對(duì)橋梁進(jìn)行單體化制作，使最終的效果更接近橋梁實(shí)景的真實(shí)表達(dá)。

3 基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)

在上述成果建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)存量DOM進(jìn)行整理，利用整理后的DOM數(shù)據(jù)成果、DEM數(shù)據(jù)成果和白模成果構(gòu)建地形緩存數(shù)據(jù)，最終融合地形緩存數(shù)據(jù)和優(yōu)化后的橋梁數(shù)據(jù)形成基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維成果[8]。

基礎(chǔ)版地形級(jí)實(shí)景三維成果的地形緩存數(shù)據(jù)由DOM和DEM數(shù)據(jù)生成[1，4]，具體工作中，第一步對(duì)DOM 進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，包括對(duì)數(shù)據(jù)投影、影像色彩、接邊情況等進(jìn)行檢查；第二步按照數(shù)據(jù)所屬投影帶分塊；第三步結(jié)合DOM、DEM數(shù)據(jù)，去除邊界外的無(wú)效區(qū)域；第四步導(dǎo)入單體化數(shù)據(jù)，檢查疊合情況；最后生成地形緩存及最終成果輸出，如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

自然資源部關(guān)于加快測(cè)繪地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)更好支撐高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)中指出，到2025年，實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)將取得階段性成果；到2030年，實(shí)景三維中國(guó)將全面建成[2，9]。本文利用1：1000 機(jī)載Li?DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合存量數(shù)字線劃圖及正射影像數(shù)據(jù)（DOM） ，構(gòu)建地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)實(shí)踐，驗(yàn)證了實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱的可行性，并從中探索到了可靠的技術(shù)路徑，總結(jié)了符合地方特色的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)景三維建設(shè)在貴州山區(qū)加快推進(jìn)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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