基于LiDAR與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的“數(shù)字遂寧”三維建模

李偉勛，黃維江

(遂寧市勘察測(cè)繪院，四川 遂寧 629000)

基于LiDAR與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的“數(shù)字遂寧”三維建模

李偉勛*，黃維江

(遂寧市勘察測(cè)繪院，四川 遂寧 629000)

為研究既準(zhǔn)確又高效的創(chuàng)建三維模型的相關(guān)技術(shù)，本文利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)兩者相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)字實(shí)景城市的建模。采用傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)SWDC-5和ALS60機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云作為數(shù)據(jù)源，采用用ALS Post Processing軟件處理激光原始數(shù)據(jù)，LPS等數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，建立遂寧城區(qū)及周邊 99.43 km2的街景模型，同時(shí)，提出了這種三維建模方式的應(yīng)用前景。

傾斜攝影測(cè)量；LiDAR；數(shù)字城市；三維建模

1 引 言

傳統(tǒng)三維建模耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、地理信息較為單一、紋理失真、精度低。然而，“智慧城市”的提出需要又快又好的實(shí)景三維建模方式[1]。傾斜攝影技術(shù)是近幾年來蓬勃發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，相比于傳統(tǒng)航空攝影獲得的影像，它可以從多個(gè)角度采用定點(diǎn)同時(shí)曝光獲得影像以及地物立面的紋理信息和幾何信息。LiDAR能夠快速獲取大量密集且坐標(biāo)精確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用十分成熟。但LiDAR缺乏紋理信息[2，3]，因此本文研究利用機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)字實(shí)景城市的建模，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)生成了遂寧市主城區(qū)及周邊的三維模型。

2 城市實(shí)景三維建模技術(shù)

2.1總體技術(shù)路線

對(duì)于三維模型和模型真實(shí)紋理制作，LiDAR的優(yōu)勢(shì)在于快速高效地獲得大量密集地面三維點(diǎn)云，構(gòu)建地表的密集三維模型。而傾斜攝影技術(shù)能夠獲得地表建筑景觀的多視角紋理，可以非常方便地制作三維模型的真實(shí)紋理[4]。因此，結(jié)合LiDAR技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)是高效、高精度制作三維實(shí)景城市模型的關(guān)鍵。其總體技術(shù)路線如圖1所示。

主要技術(shù)流程如下：

(1)原始數(shù)據(jù)的獲取，即進(jìn)行機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜影像采集。

(2)對(duì)LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行處理和分類，判別出其中的建筑物、橋梁、樹木、道路等地物類型，初步構(gòu)建地物的三維模型。

圖1 總體技術(shù)流程

(3)結(jié)合LiDAR點(diǎn)云與影像，制作DOM。

(4)利用傾斜影像、地物三維模型，分別構(gòu)建建筑物貼圖模型、沿街要素模型和樹木模型。

3 DEM、DOM生成

3.1原始數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

根據(jù)攝區(qū)范圍(如圖2所示)，使用北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司航線設(shè)計(jì)軟Aroute進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，充分考慮航帶長(zhǎng)度、太陽角、光線強(qiáng)度和地面高程變化等因素進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。為了避免分區(qū)造成的影像重疊不夠，使用全球ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為地形依據(jù)，格網(wǎng)間距30m，結(jié)合Google Earth影像地形數(shù)據(jù)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖2 航攝范圍

圖3 LiDAR航線敷設(shè)示意圖

圖4 傾斜攝影航線敷設(shè)示意圖

飛行前應(yīng)進(jìn)行設(shè)備檢查，確保設(shè)備安裝和參數(shù)設(shè)置正確。補(bǔ)攝與重?cái)z應(yīng)按照原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行，補(bǔ)攝航線的長(zhǎng)度應(yīng)滿足用戶區(qū)域網(wǎng)空三加密的要求。飛行結(jié)束后及時(shí)利用相關(guān)軟件下載影像數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)等文件。利用Phocus軟件，進(jìn)行輻射糾正。利用影像勻光軟件OrthoVista對(duì)整個(gè)攝區(qū)所有像片進(jìn)行勻色處理。

3.2空三加密

將輸出工程區(qū)相片的初始外方位元素引入像控點(diǎn)大地坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差計(jì)算，同時(shí)加入IMU/DGPS輔助航空攝影得到的六個(gè)外方位元素作為帶權(quán)觀測(cè)值參與平差，用加密成果進(jìn)行定向。利用空三加密系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行空三區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)匹配；利用點(diǎn)匹配結(jié)果和初始外方位元素進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，結(jié)合外業(yè)控制資料計(jì)算出每一張影像精確的外方位元素。

3.3點(diǎn)云分類

利用IPAS PRO軟件，解壓空中原始數(shù)據(jù)為GPS和IMU文件，在GrafNav軟件中把空中GPS和地面基站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行插分融合處理，主要目的是還原航飛時(shí)的飛行姿態(tài)、掃描位置等空間位置信息。采用ALS Post Processing軟件處理激光原始數(shù)據(jù)，并選擇WGS84坐標(biāo)及項(xiàng)目所在的UTM坐標(biāo)帶。使激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得地理坐標(biāo)，并處理噪聲點(diǎn)。由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員進(jìn)一步做人工的噪點(diǎn)去除，去除噪點(diǎn)形成DSM。建立宏定義進(jìn)行植被的初分類，再進(jìn)行初分類[5，6]。

將經(jīng)過預(yù)處理輸出的單航線激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Terrascan、Terramodel軟件中，通過軟件自動(dòng)進(jìn)行去除點(diǎn)云噪聲及分類地面點(diǎn)的處理，生成經(jīng)自動(dòng)初分類的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為之后的精細(xì)分類提供基礎(chǔ)。在初分類處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過少量人工編輯，即將自動(dòng)分類中處理不正確的數(shù)據(jù)編輯到正確的數(shù)據(jù)層，獲取有效、準(zhǔn)確的地面數(shù)據(jù)，保證植被覆蓋區(qū)域DEM精度[8]。如圖5、圖6所示。并通過人工檢查和處理后，利用Gpro和DEM數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行糾正，獲取正射影像，如圖7所示。

圖5 DEM成果

圖6 建筑物點(diǎn)LiDAR分類圖

圖7 正射影像

4 三維模型構(gòu)建

根據(jù)點(diǎn)云分類結(jié)果，構(gòu)建不同的模型。

(1)精細(xì)化模型，主要包括市政設(shè)施、建筑。對(duì)精細(xì)模型的三維構(gòu)建，根據(jù)點(diǎn)云分類的結(jié)果，分別進(jìn)行有人工干預(yù)的模型構(gòu)建。構(gòu)建完模型之后，結(jié)合傾斜攝影影像進(jìn)行建筑物的紋理貼圖，如此可以獲得建筑物的實(shí)景三維模型，如

(2)要素類模型，包括樹木、景觀、橋梁、公交車站、指示牌、路燈、垃圾桶、井蓋。對(duì)一些形狀相同的模型，可以分作為一類。如路燈、垃圾桶等，選擇具有代表性的地物制作特定的小品模型，按實(shí)際位置擺放。對(duì)景觀標(biāo)志、橋梁設(shè)施、公交車站等模型，進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集后放置其相應(yīng)位置。

5 影像貼圖

由傾斜攝影的工作原理可知該方式獲取的影像是具有地理信息，把傾斜影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到與精細(xì)化三維模型一致的空間坐標(biāo)后，快速匹配出最佳紋理，作為建筑物的紋理進(jìn)行貼圖[10]。但由于城市中的建筑物不可比避免存在相互遮擋的情況，導(dǎo)致部分建筑物底部和低矮的建筑無法找到準(zhǔn)確的紋理，需采用人工補(bǔ)拍的方式，將完成貼圖之后的精細(xì)化模型和要素類模型，根據(jù)其坐標(biāo)與DOM相結(jié)合，則可以獲得三維實(shí)景城市模型，如圖8所示。

圖8 三維場(chǎng)景

6 結(jié) 語

本文通過遂寧市數(shù)字城市構(gòu)建的實(shí)例，研究分析了基于LiDAR和傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維實(shí)景城市模型的方法。該方法綜合利用機(jī)載激光雷達(dá)在獲取點(diǎn)云和傾斜攝影在獲取物體紋理方面的優(yōu)勢(shì)，提高了三維實(shí)景城市模型構(gòu)建的效率和精度。數(shù)字實(shí)景城市的最大特點(diǎn)是真實(shí)直觀、精度高。基于三維實(shí)景城市數(shù)據(jù)，并且結(jié)合其他種類的空間地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，一方面可以在任何與之相關(guān)，如規(guī)劃、交通、市政、消防、反恐等城市各個(gè)行業(yè)中展開應(yīng)用。另一方面憑借其準(zhǔn)確的地理位置信息，并且精細(xì)地表達(dá)出地物的細(xì)節(jié)特征，所以在工程測(cè)量上該技術(shù)應(yīng)用于建筑規(guī)劃竣工測(cè)繪，獲取三維數(shù)字信息的竣工測(cè)量成果，是未來測(cè)繪服務(wù)城市規(guī)劃管理的發(fā)展趨勢(shì)。

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Three-dimensionalModelingofDigitalSuiningBasedonLiDARandObliquePhotography

Li Weixun，Huang Weijiang

(Suining Survey and Research Institute，Suining 629000，China)

For studying accurate and efficient techniques for creating 3D models，the model of digital real city is modeled by the combination of airborne LiDAR technology and slant photogrammetry technology In this paper. The image data of tilt Photogrammetry System SWDC-5 and ALS60 airborne laser radar system and obtain the point cloud as the data source，using ALS Post Processing software processing laser original data，LPS data processing platform，the establishment of Suining city and the surrounding streetscape model 99.43 km2，At the same time，the application prospect of this 3D modeling method is put forward.

oblique photography；LiDAR；digital city；three-dimensional modeling

1672-8262(2017)05-123-04

P208.2，P234.4

A

2017—08—20

李偉勛(1970—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事地理信息系統(tǒng)、遙感、規(guī)劃信息化等方面的研究。