機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市三維模型中的應(yīng)用

王利超+張聰+呂學(xué)軍

摘 要：本文介紹了傳統(tǒng)三維模型建立的方法及優(yōu)缺點(diǎn)，論述了如何利用機(jī)載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建三維模型，并建立了項(xiàng)目區(qū)域的數(shù)字城市三維模型。最后總結(jié)和展望了機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市；三維建模；機(jī)載三維激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)：P234 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著數(shù)字城市技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以二維數(shù)據(jù)為主體的GIS應(yīng)用已不能滿足城市專業(yè)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)表達(dá)。三維數(shù)字城市已成為城市規(guī)劃和管理過(guò)程中重要的手段。三維建模是建立數(shù)字城市的重點(diǎn)，如何快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，并進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，降低作業(yè)成本成了三維建模的核心。

1.傳統(tǒng)的三維建模方法

傳統(tǒng)的三維建模一般有如下3種實(shí)現(xiàn)技術(shù)：

一是直接使用三維模型制作軟件。這種方法能比較逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，但是所表示的模型不能保證真實(shí)地理位置的精度，而且工作量和成果的數(shù)據(jù)量特別大，需耗費(fèi)大量的人力物力，龐大的數(shù)據(jù)量也不利于三維數(shù)據(jù)的可視化和空間分析。

二是直接利用傳統(tǒng)GIS的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的高度屬性進(jìn)行三維建模，建筑物的表面根據(jù)具體要求加上相應(yīng)的紋理。這種方法局限于較規(guī)則建筑的三維建模，對(duì)城市的精細(xì)節(jié)點(diǎn)表達(dá)欠佳，視覺(jué)效果不是很好。而且高度信息一般簡(jiǎn)單地根據(jù)建筑物樓層數(shù)乘以3m～4m來(lái)確定，高程不能真實(shí)地表示。

三是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模。利用航空影像、等高線數(shù)據(jù)等進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的精確采集及地表影像的處理。通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量立體量測(cè)的方式進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)三維數(shù)據(jù)的批量采集，生成建筑模型的原始體模型，結(jié)合外業(yè)采集的各建筑照片，進(jìn)行手工紋理照片粘貼。這種方法成本相對(duì)較高。

傳統(tǒng)的三維建模方法存在諸多缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)精度低；制作周期長(zhǎng)；質(zhì)量控制難；不在同一時(shí)間采集數(shù)據(jù)，紋理受天氣影響較大；投資成本大，數(shù)據(jù)更新慢；地面采集數(shù)據(jù)時(shí)，難以采集密集樓區(qū)的建筑整體，制作難度大等等。很難進(jìn)行大面積的數(shù)字城市建設(shè)，仍然停留在小區(qū)域的水平，更像是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室工藝，達(dá)不到一個(gè)工業(yè)化的流水線水平。

2.新型的三維城市建模方法

機(jī)載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)，綜合了激光雷達(dá)技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)建模方法中手工制作的優(yōu)點(diǎn)，提供了一套完整的解決方案，可以有效解決傳統(tǒng)工藝中的不足。

2.1 機(jī)載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)介紹

機(jī)載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)是將三維激光掃描儀和航空相機(jī)裝載在飛機(jī)上，利用激光測(cè)距原理和航空攝影測(cè)量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過(guò)基于全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測(cè)量裝置（IMU）的機(jī)載定位定向系統(tǒng)（POS）聯(lián)接，構(gòu)成攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的LIDAR（Light Detectionand Ranger）對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。它不但可以用于無(wú)地面控制點(diǎn)或僅有少量地面控制點(diǎn)地區(qū)的航空遙感定位和影像獲取，而且可實(shí)時(shí)得到地表大范圍內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、數(shù)字影像及其他方面的海量信息。

機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)獲取的原始數(shù)據(jù)有數(shù)碼影像和激光數(shù)據(jù)，可直接進(jìn)行像片調(diào)色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)云分層、自動(dòng)生成DSM數(shù)據(jù)、編輯生成DEM、自動(dòng)生成DOM。處理后直接得到數(shù)碼影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DEM、DSM、DOM。

2.2 數(shù)據(jù)生產(chǎn)總體工藝流程

結(jié)合某旅游城市三維建模項(xiàng)目，提出了這種新型的三維建模方案，結(jié)合三維航空激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)手工建模方法在制作結(jié)果精細(xì)方面的優(yōu)勢(shì)。使用自動(dòng)化設(shè)備解決了大范圍空間數(shù)據(jù)的快速采集和三維測(cè)量，解決了非重點(diǎn)地區(qū)模型的快速制作。同時(shí)建立了航測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)制作的數(shù)據(jù)接口，可以結(jié)合傳統(tǒng)制作技術(shù)在細(xì)節(jié)和效果方面的優(yōu)勢(shì)提供綜合解決方案，如圖1所示。

3.數(shù)據(jù)生產(chǎn)及成果展示

3.1 DEM數(shù)據(jù)

基于激光雷達(dá)在測(cè)量地形數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目采用激光雷達(dá)進(jìn)行地形激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，采集結(jié)果經(jīng)過(guò)分類處理后得到高精度的DEM數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.2 DOM數(shù)據(jù)

在飛行采集地形數(shù)據(jù)時(shí)同步采集影像數(shù)據(jù)用于制作DOM數(shù)據(jù)。基于每張航片的外方位元素及地面激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，軟件自動(dòng)進(jìn)行單片微分糾正，并對(duì)設(shè)定范圍內(nèi)糾正后的航片進(jìn)行鑲嵌、裁切，得到數(shù)字正射影像圖，如圖3所示。

3.3 建筑側(cè)面紋理及幾何數(shù)據(jù)

激光雷達(dá)航測(cè)技術(shù)能夠在飛行時(shí)采集建筑的側(cè)面紋理和側(cè)面幾何數(shù)據(jù)。在生成DOM和DEM的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)手工添加一些控制點(diǎn)把斜片和DOM聯(lián)結(jié)起來(lái)。本項(xiàng)目提供了專用的測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)快速搜尋建筑物側(cè)面紋理和在照片上直接量測(cè)幾何數(shù)據(jù)的功能。點(diǎn)擊正射影像，可快速搜索出4個(gè)方向斜排航片并可直接基于照片三維量測(cè)，如圖4所示。

3.4 簡(jiǎn)模制作

采用專用的快速建模工具完成簡(jiǎn)模的制作，通過(guò)長(zhǎng)方體來(lái)構(gòu)建建筑模型，對(duì)于一些尖頂?shù)葟?fù)雜結(jié)構(gòu)不處理。紋理數(shù)據(jù)直接使用拍攝的數(shù)據(jù)，不進(jìn)行紋理的遮蓋物刪除、光影調(diào)整等美化處理。

3.5 精模制作

采用專用斜片測(cè)量、瀏覽工具和3dsMax建模工具、photoshop圖片處理工具相結(jié)合的方法來(lái)完成精細(xì)模型的制作。要求建筑主體結(jié)構(gòu)要突出明顯，一些關(guān)鍵的細(xì)節(jié)如屋頂、一層的大門等要表現(xiàn)。建筑紋理應(yīng)使用圖像處理工具美化，去除樹木、電線桿等遮擋物，加上一定的光影效果，使模型更美觀。

3.6 場(chǎng)景整合

使用三維地理信息平臺(tái)軟件VRMap進(jìn)行三維場(chǎng)景整合，用于數(shù)據(jù)的分析瀏覽。場(chǎng)景整合需要完成以下工作：使用DEM和DOM數(shù)據(jù)制作基礎(chǔ)地形；將所有建筑模型導(dǎo)入場(chǎng)景，與地形匹配，確保模型位置正確；在主街道增加樹木、電線桿、公交廳等配套設(shè)施，美化場(chǎng)景，地面使用DOM制作；在重點(diǎn)廣場(chǎng)制作椅子等細(xì)節(jié)美化場(chǎng)景，地面使用3dsMax制作，保障步行瀏覽效果。

4.總結(jié)及展望

通過(guò)某市數(shù)字城市三維建模的項(xiàng)目生產(chǎn)，采用機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)城市具有如下特點(diǎn)：

（1）可以直接快速獲取三維空間數(shù)據(jù)、高精度數(shù)據(jù)成果。

（2）DOM數(shù)據(jù)以及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的支持，使得對(duì)地形地物的判讀、空間信息的量測(cè)與獲取更加準(zhǔn)確和便捷。

（3）數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)精度高、作業(yè)成本低、便于成本控制等。

（4）航飛時(shí)在建筑密集區(qū)難免少量側(cè)面紋理無(wú)法采集完整，對(duì)于采集不完整的地區(qū)根據(jù)制作要求進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)地面補(bǔ)拍工作。

機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)具有高精度、高密集度、快速、低成本的獲取地面三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)，其必將成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)手段，隨著其數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及相關(guān)行業(yè)應(yīng)用平臺(tái)的逐步成熟，機(jī)載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。

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