傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

申淑娟，俞志強(qiáng)，黃 樺，祝彥敏，吳彬卓

(浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

申淑娟，俞志強(qiáng)，黃 樺，祝彥敏，吳彬卓

(浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

在傳統(tǒng)大比例尺測(cè)圖中，建筑物特征線的獲取方法或精度高效率低或效率高精度低。本文通過(guò)對(duì)傾斜三維模型分析，提出了基于直線公理的建筑物特征線快速提取方法；針對(duì)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)均為人工采集的現(xiàn)狀，引入激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)分類插值法自動(dòng)生成高程特征點(diǎn)。研究證明，本文方法在精度與效率等方面均可取得良好效果，提高了特征線(建筑物線)、特征點(diǎn)(高程點(diǎn))采集的自動(dòng)化程度。

傾斜攝影；激光點(diǎn)云；特征線提??；特征點(diǎn)自動(dòng)生成；測(cè)圖自動(dòng)化

目前城市大比例尺測(cè)圖的主要方法有解析法、航測(cè)法、利用竣工圖等專題資料更新基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等方法[1]。解析法測(cè)量精度高，但在大面積更新時(shí)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高；航測(cè)法速度快、覆蓋面積大、投入成本低，但成圖過(guò)程復(fù)雜、精度低；使用竣工圖等專題資料方法更新，依據(jù)現(xiàn)行全國(guó)性法規(guī)，竣工測(cè)量還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)多樣，精度不一，范圍也不能覆蓋所有的地貌變化，只能作為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新的參考。幾種方法各具特色，但普遍存在對(duì)人工依賴大、自動(dòng)化程度不高等缺陷。

隨著低空航攝和LiDAR技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜三維模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多種新型測(cè)繪產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。筆者通過(guò)對(duì)傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)的研究，提出使用傾斜三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取大比例尺地形圖中特征點(diǎn)、線的方法，以期在保證精度的前提下，提高測(cè)圖的自動(dòng)化程度。

1 總體思路

地形圖精度主要取決于一、二類地物的精度。傳統(tǒng)大比例尺測(cè)圖繪制建筑物特征線時(shí)需要內(nèi)外業(yè)配合采取“先內(nèi)后外”或“先外后內(nèi)”的工序流程。而在使用傾斜攝影自動(dòng)化建模技術(shù)構(gòu)建的三維模型中，可以清晰地看到建筑物的立面。利用直線公理，通過(guò)在建筑物立面上采集的兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行投影交匯，直接獲取建筑物結(jié)構(gòu)線，可應(yīng)用于航測(cè)法成圖的工藝流程中，減少房檐外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)改正的工序，提高效率。

在大比例尺測(cè)圖中，高程點(diǎn)需要通過(guò)人工外業(yè)測(cè)繪獲得，本文利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度高的特性，使用基于三角網(wǎng)坡度分割的方法，對(duì)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類，然后結(jié)合影像光譜特征和高程插值，自動(dòng)生成高程點(diǎn)。

2 基于直線公理的建筑物特征線快速提取

直線公理經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)有一條直線，并且只有一條直線。常規(guī)建筑物的主體在豎直方向都是垂直的，在每個(gè)立面上任意采集兩個(gè)點(diǎn)A、B，向z=0的面作垂線，獲得垂足一定落在A、B所在面與z=0的交線上，即建筑物的一條邊線。以此類推，在建筑物的其他立面上依次采集兩個(gè)特征點(diǎn)，取其在z=0面上的垂足連成直線，幾條線相交即可獲得建筑物的基底多邊形。建筑物主體有垂直、平行等幾何特征的，可根據(jù)此關(guān)系減少采集點(diǎn)。

如圖1所示，以長(zhǎng)方體為例，其相鄰邊線具有垂直特性、對(duì)邊具有平行特性和等距特性，取5個(gè)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)基底特征線的自動(dòng)獲取。在進(jìn)行DLG采集時(shí)，在主立面或模型效果最好的立面上采集兩個(gè)點(diǎn)A、B，向z=0的面作垂線，獲得垂足A′、B′，即AA′⊥面OPUV，BB′⊥面OPUV。過(guò)A′B′畫一條直線，則其為房屋的一條邊線所在的直線。然后依次在相鄰立面上采集一個(gè)點(diǎn)C、D、E，各點(diǎn)分別向z=0的面作垂線，CC′⊥面OPUV，DD′⊥面OPUV，EE′⊥面OPUV，獲得垂足C′、D′、E′，然后分別過(guò)C′、E′向直線A′B′作垂線，C′P⊥A′B′，E′U⊥A′B′,得到A′B′的鄰邊C′P和E′U，最后過(guò)D′作D′O∥A′B′，與領(lǐng)邊垂直相交于O、V，這樣就獲取到該建筑物的準(zhǔn)確位置OPUV。

圖1 房屋特征線快速提取原理

3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類插值的高程特征點(diǎn)自動(dòng)生成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取高程點(diǎn)流程如圖2所示。一般城市地面點(diǎn)高程的變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程(除陡坡、懸崖等變化過(guò)快的區(qū)域外)[2-3]。對(duì)于建筑物和密集植被而言，其內(nèi)部高程變化也是相對(duì)平緩的，只有在其與地面的交界處，高程才存在突變。因此可以使用Delaunay三角網(wǎng)將原始點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型，用每個(gè)三角面坡度來(lái)反映高程的變化程度，通過(guò)一定的閾值對(duì)三角網(wǎng)坡度進(jìn)行分割，坡度較大的三角面則為建筑物或植被等與地面的分割點(diǎn)所在面，其包含的區(qū)域?yàn)楦叱掏蛔內(nèi)切危桓叱掏蛔內(nèi)切伟鼑膮^(qū)域?yàn)榻ㄖ镯敾蛑脖豁敚粚儆诟叱厅c(diǎn)獲取范圍，直接略去；剩余則為高程平滑三角形。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取高程點(diǎn)流程

大比例尺地形圖的高程點(diǎn)一般取在道路中心點(diǎn)、堤頂、坡腳、坎上、坎下、凹地、橋面、廣場(chǎng)空地等位置。其中堤頂、坡腳、坎上、坎下、凹地包含在高程突變?nèi)切沃?，通過(guò)Kriging插值法在高程突變?nèi)切螀^(qū)域進(jìn)行插值，取高程最大值或最小值為目標(biāo)高程點(diǎn)。道路中心點(diǎn)、橋面、廣場(chǎng)空地等區(qū)域的高程點(diǎn)的生成需結(jié)合影像的光譜特征。通過(guò)對(duì)影像光譜特征的分析獲取道路、橋梁、廣場(chǎng)空地的大致區(qū)域，進(jìn)而在這些區(qū)域進(jìn)行插值，取其中高程值最高的點(diǎn)、高程變化大的點(diǎn)或地物中間點(diǎn)即為目標(biāo)高程點(diǎn)。然后按照大比例尺地形圖對(duì)高程注記點(diǎn)的密度要求對(duì)最初生成的高程點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾，首先過(guò)濾掉地物中間點(diǎn)，然后根據(jù)不同的閾值過(guò)濾掉高程變化點(diǎn)，直至獲取合適密度的高程注記點(diǎn)。取其中心位置，將其自動(dòng)轉(zhuǎn)成矢量點(diǎn)，最后通過(guò)少量的人工干預(yù)對(duì)矢量高程點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾和篩選。

4 方法驗(yàn)證與精度分析

應(yīng)用本文方法在浙江省紹興市新昌縣1∶500測(cè)圖工作中進(jìn)行了試驗(yàn)，隨機(jī)選擇4個(gè)圖幅進(jìn)行誤差分析，如圖3—圖6所示，共選擇1360個(gè)樣本點(diǎn)(其中平面樣本點(diǎn)695個(gè)，高程樣本點(diǎn)665個(gè))與解析法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比較，取2倍中誤差為極限誤差，精度結(jié)果見表1。與浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB33/T 552—2014要求相比，利用本方法采集的建筑物和高程點(diǎn)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航攝的精度要求，可以滿足絕大部分的行業(yè)應(yīng)用需求。

圖3 圖幅3266.25—512.00部分樣本點(diǎn)位分布

圖4 圖幅3266.25—512.00點(diǎn)位偏移

圖5 圖幅3266.00—512.25部分樣本點(diǎn)位分布

圖6 圖幅3266.00—512.25點(diǎn)位偏移

但在精度分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于建筑物高度密集區(qū)域或形狀不規(guī)則的地物，大多會(huì)形成粗差點(diǎn)。這是受三維模型精度不足的影響，導(dǎo)致作業(yè)時(shí)不能清晰獲取建筑物立面點(diǎn)，采集效果較差。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)傾斜三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的研究，將其引入城市大比例尺測(cè)圖中，提高特征點(diǎn)、線的采集效率和自動(dòng)化程度?；谥本€公理，提出通過(guò)傾斜三維模型立面上特征點(diǎn)的采集來(lái)自動(dòng)提取建筑物基底特征線的方法；通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類插值法自動(dòng)生成高程點(diǎn)的技術(shù)路線。經(jīng)驗(yàn)證，本文方法可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的精度要求，能有效提高采集效率。

表1 精度分析結(jié)果 cm

由于受模型清晰度影響，建筑物特征線快速提取方法在遇到高密度、不規(guī)則建筑物時(shí)，精度較差，下一步筆者將在提升建模精度及進(jìn)一步改進(jìn)大比例尺測(cè)圖流程自動(dòng)化的方向繼續(xù)努力。

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ApplicationofObliquePhotographyandLaserPointCloudinLargeScaleMapping

SHEN Shujuan，YU Zhiqiang，HUANG Hua，ZHU Yanmin，WU Binzhuo

(Zhejiang Academy of Surveying & Mapping，Hangzhou 310012,China)

In traditional large scale mapping，the method of obtaining the building’s line is inefficient with high-precision or efficient with low-precision.According to the analysis of the oblique 3D model，the paper proposes a fast feature extraction method of building’s feature line based on the linear axiom.In view of the status that elevation points are acquisited manually，a new method for the automatic generation of elevation points is proposed.It can be realized by the classification and interpolation of the laser point cloud data.Study proves that the method can get good results in both accuracy and efficiency and improve the degree of automation.

oblique photography；laser point cloud；feature line extraction；automatic generation of feature points；mapping automation

2017-03-13；

2017-04-07

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017C33028；2015C33075)

申淑娟(1985—),女，碩士，工程師，研究方向?yàn)楹綔y(cè)與GIS技術(shù)。E-mail：ssj_zjasm@qq.com

申淑娟，俞志強(qiáng)，黃樺，等.傾斜攝影和激光點(diǎn)云技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(12)：94-97.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0387.

P237

A

0494-0911(2017)12-0094-04