基于LiDAR數(shù)據(jù)的三維數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

王俊 朱睿方 樂道 侯岳

（河南省測繪工程院，河南鄭州 450003）

基于LiDAR數(shù)據(jù)的三維數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

王俊 朱睿方 樂道 侯岳

（河南省測繪工程院，河南鄭州 450003）

針對軌道交通帶狀圖測量，以使用移動測量系統(tǒng)掃描的激光點(diǎn)云為主要數(shù)據(jù)源，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像匹配技術(shù)、背景信息分離技術(shù)、數(shù)據(jù)簡化技術(shù)及面向?qū)ο蠓椒ǖ难芯浚瑢?shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中特征地物的快速提取，大大提高了軌道交通帶狀圖測量的效率，節(jié)省了投入的成本，縮短了測量工期數(shù)。

軌道交通；激光點(diǎn)云；點(diǎn)云提取；快速建模

建筑物的三維重建是“數(shù)字城市”的重要組成部分，利用經(jīng)緯儀、全站儀等傳統(tǒng)測量儀器獲取建筑物數(shù)據(jù)信息費(fèi)時費(fèi)力，工作量巨大，不能滿足信息化的前進(jìn)速度；在三維建模精度要求不高的情況下采用二維矢量圖，對房屋的高度進(jìn)行估算，精度一般達(dá)不到要求；利用航空航天遙感立體影像獲取建筑物的空間信息并進(jìn)行建筑物三維重建時，由于建筑物遮擋，重建的效率低下。

LiDAR數(shù)據(jù)獲取具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)。采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以快速精確地獲取地表三維信息，該技術(shù)的出現(xiàn)為建筑物三維重建提供了一個新的理想途徑，開展機(jī)載LiDAR支持下數(shù)字三維城市快速構(gòu)建研究能夠極大地提高建模精度和作業(yè)效率，加快數(shù)字三維城市建設(shè)進(jìn)程［1-3］。

1 機(jī)載LiDAR建筑物模型三維重建關(guān)鍵技術(shù)

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

LiDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)及組織方式為下一步的濾波和建筑物點(diǎn)云提取研究提供了理論基礎(chǔ)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是實(shí)現(xiàn)建筑物三維重建的前提，詳細(xì)對比分析了國內(nèi)外對點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的主要方法。

1.2 建筑物點(diǎn)云的提取

詳細(xì)研究了點(diǎn)云法向量和曲率的計(jì)算方法，改進(jìn)了區(qū)域增長的算法，綜合點(diǎn)云法向量、曲率和強(qiáng)度值來提取建筑物頂面點(diǎn)云并實(shí)現(xiàn)建筑物頂面分割。

1.3 建筑物三維模型重建

針對簡單平頂建筑物和非平頂建筑物，詳細(xì)研究了建筑物頂面輪廓線的提取與規(guī)則化和非平頂建筑物公共輪廓線再調(diào)整方法。采用河南省鄭州市鄭東新區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合該地區(qū)正射影像圖探討本文算法的可行性［4-6］。

2 DLG數(shù)據(jù)三維快速建模方法

為了實(shí)現(xiàn)大面積、高精度的批量快速建模，利用航測內(nèi)業(yè)采集的建筑物DLG數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了批量三維建模程序，采用ObjectARX SDK和Visual Studio 2005的開發(fā)環(huán)境，在AutoCAD 2008平臺進(jìn)行了相應(yīng)軟件系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大面積、高精度的快速自動批量建模［7-8］。

2.1 DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理

其中自動化包括去除重合點(diǎn)、冗余點(diǎn)，整平同一高度拐點(diǎn)高程值，以及建筑物的閉合和分類。

2.2 基于BRep技術(shù)的快速三維建模

采用ObjectARX SDK和Visual studio的開發(fā)環(huán)境，基于BRep技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積、批量、快速的三維建模，有效地提高了三維建模效率。

2.3 房頂、房檐等模型細(xì)節(jié)的自動添加

在房屋三維建模基礎(chǔ)上，通過房屋圖形處理自動實(shí)現(xiàn)房頂、房檐的添加，并且能通過航測采集的房屋頂部及地面高程信息，對房屋精準(zhǔn)建模。

3 三維數(shù)字城市系統(tǒng)及傳感網(wǎng)絡(luò)集成關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字三維城市系統(tǒng)與傳感網(wǎng)絡(luò)的集成技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 基于三維平臺的二次開發(fā)

系統(tǒng)使用B/S結(jié)構(gòu)，即“瀏覽器/服務(wù)器”結(jié)構(gòu)，瀏覽提供器端為用戶提供應(yīng)用功能，程序交互等。服務(wù)器端包括應(yīng)用服務(wù)層與數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包括三維空間數(shù)據(jù)庫與非空間屬性數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用服務(wù)層包括服務(wù)器端應(yīng)用程序服務(wù)。系統(tǒng)程序開發(fā)使用.NET平臺，使用C#、JavaScript等作為開發(fā)語言，利用平臺提供的API進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維場景瀏覽、量算、分析等功能。

3.2 設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時獲取

編寫數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)對傳感器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的即時獲取，然后訪問數(shù)據(jù)控制和訪問服務(wù)端接口，將數(shù)據(jù)記錄到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，方便系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

3.3 三維平臺與傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)是比較熱門的研究領(lǐng)域，將傳感器網(wǎng)絡(luò)集成到三維系統(tǒng)中，能使系統(tǒng)功能更加豐富。通過編寫特定的程序，實(shí)時獲取各種傳感器、GPS等設(shè)備的數(shù)據(jù)并記錄在數(shù)據(jù)庫中，供系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，這樣能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性。

通過數(shù)據(jù)引擎可以和后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。三維場景和數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)接口相連接，可以做到實(shí)時讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)改變場景中的內(nèi)容，做到三維場景和真實(shí)場景內(nèi)容相對應(yīng)，從數(shù)據(jù)庫中讀取傳感器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并加以分析處理，然后以表單、圖表、文字、視頻等方式在三維場景中進(jìn)行展示，使數(shù)字三維城市系統(tǒng)實(shí)用性更強(qiáng)，場景更加生動。

［1］陳焱明.基于機(jī)載與車載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物模型多視三維重建研究［D］.南京：南京大學(xué)，2015.

［2］谷國濤.基于機(jī)載LIDAR點(diǎn)云的建筑物三維建模技術(shù)研究［D］.撫州：東華理工大學(xué)，2012.

［3］謝秋平.綜合機(jī)載與車載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物三維重建［D］.焦作：河南理工大學(xué)，2015.

［4］熊俊華，方源敏，付亞梁，等.機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)的建筑物三維重建技術(shù)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（1）：189-192.

［5］彭芳媛，周齊生，向常淦.基于航測數(shù)據(jù)的三維建模方法研究［J］.測繪，2011（2）：63-65.

［6］許曼娜，李軍鋒，解江，等.基于航攝三維采集數(shù)據(jù)建立城市三維模型的方法探討［J］.江西科學(xué)，2011（6）：737-739.

［7］顧朝林，段學(xué)軍，于濤方，等.論“數(shù)字城市”及其三維再現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)［J］.地理研究，2002（1）：14-24.

［8］蘇岳龍，姚丹亞，張毅.車載式城市道路三維信息快速采集系統(tǒng)［A］//智能交通與人工智能學(xué)術(shù)研討會，2006.

Research and Implementation of 3D Digital City Construction Technology Based on LiDAR Data

Wang JunZhu RuiFang LedaoHou Yue
（Surveying&Mapping Engineering Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003）

According to the measurement of the rail traffic,the laser point cloud scanned by the mobile measurement system was used as the main data source.Based on the research of point cloud data and image matching technology, background information separation technology,data reduction technology and object oriented method,the fast extraction of feature points in point cloud data was realized.It greatly improves the efficiency of the measurement of the rail traffic,reduces the cost of the investment,and reduces the number of the project.

rail transit；laser point cloud；point cloud extraction；rapid modeling

P208

A

1003-5168（2017）04-0050-02

2017-03-21

王俊（1981-），男，本科，工程師，研究方向：工程測量，數(shù)字城市建設(shè)及相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)。