基于LiDAR和航空影像的三維建模方法探討

馮梅

(河南省遙感測繪院，河南鄭州450003)

基于LiDAR和航空影像的三維建模方法探討

馮梅

(河南省遙感測繪院，河南鄭州450003)

列舉三維數(shù)字城市的快速建模方法，并對這些方法的優(yōu)缺點進行比較。

LiDAR攝影;三維建模;傾斜攝影;三維數(shù)字城市

一、引 言

隨著數(shù)字城市建設在全國范圍的快速發(fā)展，三維數(shù)字城市及各行業(yè)的三維行業(yè)軟件的開發(fā)應用越來越普遍，為滿足日益增長的三維GIS的應用需求，對三維數(shù)據(jù)的生產也提出了更高的要求。目前三維數(shù)據(jù)的生產主要是以航空攝影測量技術、LiDAR數(shù)字攝影測量技術、傾斜攝影測量技術為主，這幾種技術在生產效率以及經濟效益方面都有其優(yōu)勢和局限性，本文將對上述技術進行介紹并對其優(yōu)缺點進行比較。

二、基于LiDAR的三維建模技術

1.LiDAR航空攝影測量技術生產工藝

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(tǒng)，可以量測地面物體的三維坐標。機載LiDAR是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，它集激光測距技術、計算機技術、慣性測量單元(IMU)/DGPS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突破，為獲取高時空分辨率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(fā)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(shù)據(jù)。機載LiDAR數(shù)據(jù)經過相關軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型(DTM)、等高線圖。可以根據(jù)建模的目的對激光點云數(shù)據(jù)進行分類，提取建筑物點云數(shù)據(jù)，進而對建筑物點云進行編輯、規(guī)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［1］。

2.三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產

采用LiDAR航空攝影測量技術提取建筑物的三維模型主要需進行如下工作:

(1)激光點云數(shù)據(jù)分類

結合影像對激光點云文件分類，主要工作是對激光點云數(shù)據(jù)進行分類，排除飛點和柱狀地物點，提取地面點數(shù)據(jù)。

(2)三維模型建立

1)LAS點云數(shù)據(jù)與建筑物特征矢量數(shù)據(jù)融合［2］:LAS點云數(shù)據(jù)與建筑物特征矢量數(shù)據(jù)的融合主要是將立體采集的特征線和LiDAR點云數(shù)據(jù)進行疊加，用采集的建筑物邊線代替激光點云構成的不規(guī)則建筑物邊線，使建筑物邊緣整齊一致。

2)建筑物邊緣修整:由于LiDAR點在房屋邊緣不整齊(如圖1所示)，大多呈現(xiàn)鋸齒狀，必須予以修整，還原建筑物邊緣光滑整齊的形狀(如圖2所示)。

圖1 修整前的建筑物邊緣

圖2 自動生成的建筑物粗模

(3)紋理數(shù)據(jù)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(tǒng)航空攝影測量或傾斜攝影測量來自動提取，或采用人機交互式獲取建筑物紋理。在實際生產中通常采用兩者相結合的方式來進行。

①LiDAR結合傳統(tǒng)航空攝影測量技術獲取紋理數(shù)據(jù)

通過對LiDAR系統(tǒng)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(tǒng)來完成紋理數(shù)據(jù)的采集和處理，將新型的LiDAR點云數(shù)據(jù)處理技術和傳統(tǒng)的航空攝影測量數(shù)據(jù)處理技術相結合，優(yōu)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(裸模，如圖3所示)。

b.利用外業(yè)控制數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，生成三維模型。

圖3 自動提取的建筑物裸模

②LiDAR結合傾斜攝影測量技術［3］獲取紋理數(shù)據(jù)

LiDAR技術與傾斜攝影技術相結合可以同時采集地面點云和傾斜影像數(shù)據(jù)，利用LiDAR點云分離獲取建筑物模型［4-6］，利用傾斜攝影測量傳感器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(裸模)。

b.將傾斜攝影數(shù)據(jù)進行空三加密，生成與Li-DAR數(shù)據(jù)可套合的加密成果。

c.疊加從LiDAR處理步驟中得到的三維模型輪廓數(shù)據(jù)(如圖4所示)。自動提取建筑物頂部和側面紋理并建立模型(如圖5所示)。

3.LiDAR航空攝影測量的技術特點

LiDAR航空攝影測量的技術特點如下:

1)LiDAR結合傳統(tǒng)航空攝影測量技術可以全自動獲取精準的建筑物三維結構，并自動提取建筑物頂部紋理。

2)LiDAR結合傾斜攝影測量技術在粗模區(qū)可全自動完成區(qū)塊的建筑物模型及紋理獲取工作。

3)LiDAR航空攝影測量對于批量獲取粗模區(qū)建筑物模型自動化程度高，生產效率高;但對于精模區(qū)仍需人工建模和紋理獲取。

4)由于LiDAR技術無法直接獲取建筑物的紋理信息，需要采用航空攝影測量技術或傾斜攝影測量技術獲取建筑物紋理信息，其經濟成本相對增高。

圖4 三維模型輪廓數(shù)據(jù)

圖5 自動提取建筑物紋理生成的模型

三、基于航空影像的三維建模技術

1.航空攝影測量技術生產工藝

航空攝影技術結合三維模型制作軟件進行三維數(shù)字城市的數(shù)據(jù)生產。該方法一般以大比例航空影像或者衛(wèi)星影像為基礎數(shù)據(jù)源，利用人工特征采集技術需要建筑物頂面矢量特征，將頂面矢量垂直投影至DEM表面，建立三維模型，而頂面紋理利用攝影測量技術的共線方程原理提取，從而完成建筑物的批量自動建模。

利用航空攝影測量技術進行三維景觀數(shù)據(jù)的生產主要包括兩個步驟，即包含數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字線劃圖(DLG)在內的基礎數(shù)據(jù)生產以及三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產兩部分內容［7］。

2.三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產

三維建筑物模型數(shù)據(jù)生產是在基礎數(shù)據(jù)生產已經完成的前提下進行的，其主要操作步驟如下。

1)矢量采集:利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，在立體環(huán)境下采集建筑物幾何特征信息(如圖6所示)。

圖6 建筑物邊線提取

2)三維模型生成:利用專業(yè)三維建筑物制作軟件自動生成建筑物三維模型(如圖7所示)。

圖7 自動生成的建筑物模型

3)紋理貼圖:紋理貼圖包括頂部紋理貼圖和側面紋理貼圖，其中頂部紋理貼圖使用的真正射影像已經消除了建筑物投影差，使得矢量信息與影像信息能夠完美疊加，由此可以對影像頂部紋理信息進行準確裁切，并自動提取，附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上;側面紋理貼圖目前主要通過外業(yè)采集建筑物側面紋理或者從影像中提取。

3.航空攝影測量的技術特點

航空攝影測量的技術特點如下:

1)在已有大比例尺航空影像或衛(wèi)星影像的情況下，可以節(jié)約基礎影像數(shù)據(jù)獲取的經費。

2)對于粗模區(qū)域，可以完成建筑物頂部紋理的自動提取并在建筑物特征采集成果基礎上進行批量建模。對精模區(qū)，因無法提取建筑物的側面紋理，側面紋理需要使用數(shù)碼相機采用人工的方式獲取、處理及粘貼。

3)技術成熟，工藝流程嚴謹，可控性強，風險低，人工作業(yè)量大。

四、結束語

三維數(shù)字城市建設的作業(yè)范圍往往會涉及精模加工以及粗模加工兩部分，因此在實際作業(yè)過程中可以結合多種作業(yè)方案，根據(jù)經濟性、時間性以及使用性等要求選擇最有利的數(shù)據(jù)生產方案，在保證建筑物的幾何精度以及美觀的同時，提高作業(yè)效率，減少人工作業(yè)工作量，達到統(tǒng)籌兼?zhèn)?、粗細結合、優(yōu)質高效的目的。

［1］ 尚青波.激光LiDAR數(shù)據(jù)在三維城市模型中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2010(17):14-16.

［2］ 鄧非，徐國杰，馮晨，等.LiDAR數(shù)據(jù)與航空影像結合的建筑物重建［J］.測繪信息與工程，2010，35(1): 35-37.

［3］ 王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣.Pictometry傾斜攝影技術及其在3維城市建模中的應用［J］.測繪與空間信息，2011(3): 12-14.

［4］ 熊漢江，江宇，黃先鋒，等.基于機載LiDAR的多面片建筑物 3維重建方法研究［J］.地理信息世界，2010(1):21-23.

［5］ 崔建軍，隋立春.基于邊緣檢測算法的LiDAR數(shù)據(jù)建筑物提取［J］.測繪科學技術學報，2008，25(2): 98-100.

［6］ 楊洋，張永生.基于 LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物輪廓提?。跩］.測繪科學，2010，35(3):203-205.

［7］ 張建清，張祖勛，徐芳，等.城區(qū)大比例尺影像三維景觀重建［J］.武漢科技大學學報，1998，23(4): 355-358.

Discussion on Three-dimensional Modeling Based on LiDAR Data and Aerial Images

FENG Mei

0494-0911(2011)12-0012-03

P23

B

2011-11-04

馮 梅(1964—)，女，河南濟源人，高級工程師，主要從事航測與遙感、數(shù)字城市建設等方面的研究工作。