基于激光雷達技術在城市三維建筑模型中的分析應用

田奇丁 陸玉明 宗婷婷 張 蓓 孫 濤

（河南省地礦局測繪地理信息院，河南 鄭州450006）

1 引言

數字城市，是指運用測量、遙感、電腦網絡、多媒體及仿真-虛擬技術等對城市的全部基礎設施、功能機制進行動態監測與管理、輔助決策及大眾服務的技術系統。這種功能的實現需要各方面數據的支撐，真實可量測的三維景觀模型數據是其中很重要的組成部分。通過機載激光雷達和數字航空攝影測量方法進行數據采集，表達城市物體的三維模型，包括三維地形模型、三維建筑模型、三維管線模型。這些三維模型是數字城市重要的基礎信息之一，因此城市三維建模的技術和方法研究是基礎地理信息行業的熱點并且逐步成熟，目前已有的三維建筑建模技術多種多樣。該方法精度高、速度快、可量測、多應用，對數字城市的建立與完善具有巨大的推動作用。

其中傳統的城市三維建筑模型的建立方法主要有：

（1）根據數碼影像人工建模；（2）采用規劃設計圖紙和數碼影像；（3）全數字攝影測量系統。

2 激光雷達技術在三維建筑模型中的應用

2.1 機載激光雷達測量技術原理簡介

機載 LiDAR（Light Laser Detection and Ranging）是激光探測及測距系統的簡稱。作為一種先進的測量手段，其快速采集高精度激光點云數據和高分辨率數碼影像的特點，必將為建設工程行業帶來新的技術革命。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備。其中主動傳感系統（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過數據預處理而得到沿一定條帶的地面區域三維定位與成像結果［1］。

2.2 基于LIDAR的三維建模技術

LIDAR大致分為機載和地面兩大類，其中機載激光雷達是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，可以測量地面物體的三維坐標。機載LIADR是一種主動式對地觀測系統，它集激光測距技術、計算機技術、慣性測量單元差分定位技術于一體，該技術在三維空間信息的實時獲取方面產生了重大的突破，未獲取高時空分辨地球空間信息提供了一種全新的技術手段。機載LIDAR傳感器發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據。機載LIDAR數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數據地面模型（DTM）、等高線圖。可以根據建模的目的對激光點云數據進行分類，提取建筑物點云數據，進而對建筑物點云進行編輯、規則化、修正等一系列處理步驟，從中提取出精細的建筑物模型。

2.3 數據的生產

結合采集原始的數據，進行GPS／IMU聯合解算，可以得到掃描儀及相機曝光瞬間的WGS84坐標下的軌跡文件，進而快速確定激光點云的空間位置及影像的外方位元素。若需轉換坐標系統，則通過一定的方法進行平面與高程的坐標轉換。最后對激光點云進行分類、排除飛點和柱狀地物點，提取地面點數據

2.4 三維建筑模型建模

LAS點云數據預建筑物特征矢量數據融合：LAS點云數據與建筑物特征矢量數據的融合主要是將立體采集的特征線和LIDAR點云數據進行疊加。（使用LIDAR數據商業處理軟件，可以快速將地面數據與非地面數據分離，得到純地表數據，生成DEM；初始的影像外方位元素一般達不到精度要求，利用純地表數據對影像外方位元素通過尋找同名像點的方式進行校正，可以快速生成DOM。DEM和DOM疊加在一起的三維地形模型，能夠清晰地表達地形的高程信息及紋理信息，從而反映真實三維地形信息。）用采集的建筑物邊線代替激光點云構成的不規則建筑物邊線，使建筑物邊緣整齊一致。由于點間距設置的不同，激光掃描儀采集到的建筑物點云，不能完全表達建筑物的輪廓，最后將房屋邊緣不整齊，大多呈現鋸齒狀進行修整，還原城市建筑原貌［2］。

3 紋理數據獲取

LIDAR航空攝影測量的技術手段可以快速高效地獲取高精度的建筑物的三維結構，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航空攝影測量或傾斜攝影測量來自動提取，或采用人機交互獲取建筑物紋理。在實際生產中通常采用兩者相結合的方式來進行。

3.1 LIDAR結合傳統航空攝影測量技術獲取紋理數據

通過對LIDAR系統采集到的LAS文件進行處理，可以得到精細的三維模型，配合攝影系統來完成紋理數據采集和處理，將新型的LIDAR點云數據處理技術和傳統的航空攝影測量數據處理技術相結合，優勢互補，共同完成三維模型的精細加工。

a.LIDAR點云生成三維模型。

b.利用外業控制數據和航空影像數據完成空中三角測量。

c.結合LIDAR點云生成的三維模型和航空影像及其空三成果，自動從航空影像中提取建筑物紋理數據，生成三維模型。

3.2 LIDAR結合傾斜攝影測量技術獲取紋理數據

LIDAR技術與傾斜攝影技術相結合可以同時采集地面店云和傾斜影響數據，利用LIDAR點云分離獲取建筑物模型，利用傾斜攝影測量傳感獲取建筑物頂面及側面紋理，自動生成建筑物三維模型。

a.LIDAR點云生成三維模型。

b.將傾斜攝影數據進行空三加密，生成LIDAR數據客套和的加密成果。

c.疊加從LIDAR處理步驟中得到的三維模型輪廓數據，自動提取建筑物頂部和側臉紋理并建立模型。

紋理影像的內、外方位元素的獲取方式，可以采用與正攝獲取的影像相同的方式，即結合GPS偏心分量、IMU／GPS聯合差分解算，以及相機的偏心分量，得到紋理影像的原始外方位元素。獲取的影像為中心投影，存在畸變差，傾斜攝影更甚。因此，紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點之間不能精確一一對應，為減輕后期紋理粘貼工作的難度，采用后方交會的方式對紋理影像進行幾何糾正，即找正射影像與紋理影像的同名點，達到紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點一一對應的目的。

利用專業軟件，便可進行紋理面的選擇、勻光處理等，將最能準確、真實反映建筑紋理信息的影像映射在對應的模型上，以達到反映建筑現狀及城市現狀的目的。城市高樓密集，因此航空紋理影像難免出現遮擋和陰影，可以適當地進行處理，還原真實的建筑物紋理。

4 三維激光掃描測量的優勢

4.1 LIDAR結合傳統航空攝影測量技術可以全自動獲取精準建筑物結構，并自動提取建筑物頂部紋理。

4.2 采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠對任意物體進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。

4.3 具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點，可以極大地降低成本，節約時間，而且使用方便，這項技術輸出格式可以直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口［5］。

5 基于航空影像的三維建模技術

以DMC航空攝影測量數據為數據源對廊坊市規劃區內進行城市三維模型數據生產，利用DMC航空影像數據處理、DEM及三維模型的生產流程相關技術，包括數據預處理、DEM數據生產、框架數據采集、模型紋理照片采集與制作、精度評定與分析等。建立DMC航空攝影測量數據進行城市三維建模的技術方法與流程，包括空三加密、DEM數據生產、框架數據采集、紋理制作、模型制作等；最后，對廊坊市規劃區的三維模型數據中建筑物的特征點及代表性線段進行了平面點位精度與距離精度的評定，分析影響三維模型精度因素。

6 結語

在數字化程度越來越高的今天，基于二維的城市信息系統已經不能滿足信息時代的需求，將三維空間信息完整呈現已成為社會發展的必然，也是“數字地球”的要求。因此對快速獲取三維空間數據，模擬和重現現實生活提出了更高的要求。利用激光雷達技術采集三維空間數據和影像，可以達到房屋建模速度快，高程精度高，適用范圍廣，外也少，紋理映射自動化程度高，但在高樓林立，植被茂密的地方，還是需要地面補拍。建成的模型，在具有精度搞得同時，其數據量相對的也比較大，常用的瀏覽軟件運行速度慢。大范圍的真實的三維紋理模型的快速瀏覽、海量數據的存儲和傳輸等都是有待解決的技術難題。

能夠滿足分析與量測需求，適合大規模數字城市建設。