馮梅

(河南省遙感測(cè)繪院，河南鄭州450003)

基于LiDAR和航空影像的三維建模方法探討

馮梅

(河南省遙感測(cè)繪院，河南鄭州450003)

列舉三維數(shù)字城市的快速建模方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

LiDAR攝影;三維建模;傾斜攝影;三維數(shù)字城市

一、引 言

隨著數(shù)字城市建設(shè)在全國(guó)范圍的快速發(fā)展，三維數(shù)字城市及各行業(yè)的三維行業(yè)軟件的開發(fā)應(yīng)用越來越普遍，為滿足日益增長(zhǎng)的三維GIS的應(yīng)用需求，對(duì)三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)也提出了更高的要求。目前三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要是以航空攝影測(cè)量技術(shù)、LiDAR數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為主，這幾種技術(shù)在生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益方面都有其優(yōu)勢(shì)和局限性，本文將對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行介紹并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

二、基于LiDAR的三維建模技術(shù)

1.LiDAR航空攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)工藝

LiDAR大致分為機(jī)載和地面兩大類，其中機(jī)載激光雷達(dá)是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，可以量測(cè)地面物體的三維坐標(biāo)。機(jī)載LiDAR是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，它集激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元(IMU)/DGPS差分定位技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時(shí)空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。機(jī)載LiDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型(DTM)、等高線圖。可以根據(jù)建模的目的對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，提取建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)建筑物點(diǎn)云進(jìn)行編輯、規(guī)則化、修正等一系列處理步驟，從中提取出精細(xì)的建筑物模型［1］。

2.三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)

采用LiDAR航空攝影測(cè)量技術(shù)提取建筑物的三維模型主要需進(jìn)行如下工作:

(1)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類

結(jié)合影像對(duì)激光點(diǎn)云文件分類，主要工作是對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，排除飛點(diǎn)和柱狀地物點(diǎn)，提取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2)三維模型建立

1)LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)與建筑物特征矢量數(shù)據(jù)融合［2］:LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)與建筑物特征矢量數(shù)據(jù)的融合主要是將立體采集的特征線和LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，用采集的建筑物邊線代替激光點(diǎn)云構(gòu)成的不規(guī)則建筑物邊線，使建筑物邊緣整齊一致。

2)建筑物邊緣修整:由于LiDAR點(diǎn)在房屋邊緣不整齊(如圖1所示)，大多呈現(xiàn)鋸齒狀，必須予以修整，還原建筑物邊緣光滑整齊的形狀(如圖2所示)。

圖1 修整前的建筑物邊緣

圖2 自動(dòng)生成的建筑物粗模

(3)紋理數(shù)據(jù)獲取

LiDAR航空攝影測(cè)量的技術(shù)手段可以快速高效地獲取高精度的建筑物的三維結(jié)構(gòu)，但無法獲取建筑物的紋理，因此，其紋理的獲取需要通過傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量或傾斜攝影測(cè)量來自動(dòng)提取，或采用人機(jī)交互式獲取建筑物紋理。在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用兩者相結(jié)合的方式來進(jìn)行。

①LiDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)

通過對(duì)LiDAR系統(tǒng)采集到的LAS文件進(jìn)行處理，可以得到精細(xì)的三維模型，配合攝影系統(tǒng)來完成紋理數(shù)據(jù)的采集和處理，將新型的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)和傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同完成三維模型的精細(xì)加工。

a.LiDAR點(diǎn)云生成三維模型(裸模，如圖3所示)。

b.利用外業(yè)控制數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)完成空中三角測(cè)量。

c.結(jié)合LiDAR點(diǎn)云生成的三維模型和航空影像及其空三成果，自動(dòng)從航空影像中提取建筑物紋理數(shù)據(jù)，生成三維模型。

圖3 自動(dòng)提取的建筑物裸模

②LiDAR結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)［3］獲取紋理數(shù)據(jù)

LiDAR技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合可以同時(shí)采集地面點(diǎn)云和傾斜影像數(shù)據(jù)，利用LiDAR點(diǎn)云分離獲取建筑物模型［4-6］，利用傾斜攝影測(cè)量傳感器獲取建筑物頂面及側(cè)面紋理，自動(dòng)生成建筑物三維模型。

a.LiDAR點(diǎn)云生成三維模型(裸模)。

b.將傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，生成與Li-DAR數(shù)據(jù)可套合的加密成果。

c.疊加從LiDAR處理步驟中得到的三維模型輪廓數(shù)據(jù)(如圖4所示)。自動(dòng)提取建筑物頂部和側(cè)面紋理并建立模型(如圖5所示)。

3.LiDAR航空攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

LiDAR航空攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)如下:

1)LiDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)可以全自動(dòng)獲取精準(zhǔn)的建筑物三維結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)提取建筑物頂部紋理。

2)LiDAR結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在粗模區(qū)可全自動(dòng)完成區(qū)塊的建筑物模型及紋理獲取工作。

3)LiDAR航空攝影測(cè)量對(duì)于批量獲取粗模區(qū)建筑物模型自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高;但對(duì)于精模區(qū)仍需人工建模和紋理獲取。

4)由于LiDAR技術(shù)無法直接獲取建筑物的紋理信息，需要采用航空攝影測(cè)量技術(shù)或傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取建筑物紋理信息，其經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)增高。

圖4 三維模型輪廓數(shù)據(jù)

圖5 自動(dòng)提取建筑物紋理生成的模型

三、基于航空影像的三維建模技術(shù)

1.航空攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)工藝

航空攝影技術(shù)結(jié)合三維模型制作軟件進(jìn)行三維數(shù)字城市的數(shù)據(jù)生產(chǎn)。該方法一般以大比例航空影像或者衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用人工特征采集技術(shù)需要建筑物頂面矢量特征，將頂面矢量垂直投影至DEM表面，建立三維模型，而頂面紋理利用攝影測(cè)量技術(shù)的共線方程原理提取，從而完成建筑物的批量自動(dòng)建模。

利用航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維景觀數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要包括兩個(gè)步驟，即包含數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字線劃圖(DLG)在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)以及三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)兩部分內(nèi)容［7］。

2.三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)

三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)已經(jīng)完成的前提下進(jìn)行的，其主要操作步驟如下。

1)矢量采集:利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，在立體環(huán)境下采集建筑物幾何特征信息(如圖6所示)。

圖6 建筑物邊線提取

2)三維模型生成:利用專業(yè)三維建筑物制作軟件自動(dòng)生成建筑物三維模型(如圖7所示)。

圖7 自動(dòng)生成的建筑物模型

3)紋理貼圖:紋理貼圖包括頂部紋理貼圖和側(cè)面紋理貼圖，其中頂部紋理貼圖使用的真正射影像已經(jīng)消除了建筑物投影差，使得矢量信息與影像信息能夠完美疊加，由此可以對(duì)影像頂部紋理信息進(jìn)行準(zhǔn)確裁切，并自動(dòng)提取，附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上;側(cè)面紋理貼圖目前主要通過外業(yè)采集建筑物側(cè)面紋理或者從影像中提取。

3.航空攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

航空攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)如下:

1)在已有大比例尺航空影像或衛(wèi)星影像的情況下，可以節(jié)約基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)獲取的經(jīng)費(fèi)。

2)對(duì)于粗模區(qū)域，可以完成建筑物頂部紋理的自動(dòng)提取并在建筑物特征采集成果基礎(chǔ)上進(jìn)行批量建模。對(duì)精模區(qū)，因無法提取建筑物的側(cè)面紋理，側(cè)面紋理需要使用數(shù)碼相機(jī)采用人工的方式獲取、處理及粘貼。

3)技術(shù)成熟，工藝流程嚴(yán)謹(jǐn)，可控性強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)低，人工作業(yè)量大。

四、結(jié)束語

三維數(shù)字城市建設(shè)的作業(yè)范圍往往會(huì)涉及精模加工以及粗模加工兩部分，因此在實(shí)際作業(yè)過程中可以結(jié)合多種作業(yè)方案，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間性以及使用性等要求選擇最有利的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方案，在保證建筑物的幾何精度以及美觀的同時(shí)，提高作業(yè)效率，減少人工作業(yè)工作量，達(dá)到統(tǒng)籌兼?zhèn)?、粗?xì)結(jié)合、優(yōu)質(zhì)高效的目的。

［1］ 尚青波.激光LiDAR數(shù)據(jù)在三維城市模型中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010(17):14-16.

［2］ 鄧非，徐國(guó)杰，馮晨，等.LiDAR數(shù)據(jù)與航空影像結(jié)合的建筑物重建［J］.測(cè)繪信息與工程，2010，35(1): 35-37.

［3］ 王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣.Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在3維城市建模中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪與空間信息，2011(3): 12-14.

［4］ 熊漢江，江宇，黃先鋒，等.基于機(jī)載LiDAR的多面片建筑物 3維重建方法研究［J］.地理信息世界，2010(1):21-23.

［5］ 崔建軍，隋立春.基于邊緣檢測(cè)算法的LiDAR數(shù)據(jù)建筑物提?。跩］.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，25(2): 98-100.

［6］ 楊洋，張永生.基于 LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物輪廓提取［J］.測(cè)繪科學(xué)，2010，35(3):203-205.

［7］ 張建清，張祖勛，徐芳，等.城區(qū)大比例尺影像三維景觀重建［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，23(4): 355-358.

Discussion on Three-dimensional Modeling Based on LiDAR Data and Aerial Images

FENG Mei

0494-0911(2011)12-0012-03

P23

B

2011-11-04

馮 梅(1964—)，女，河南濟(jì)源人，高級(jí)工程師，主要從事航測(cè)與遙感、數(shù)字城市建設(shè)等方面的研究工作。