基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的方法研究

賈寶　張濤　李小娟　禹旭

（河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003）

三維建筑模型是“數(shù)字城市”的重要組成部分，也是三維GIS應(yīng)用的重要方向，已在諸如城市規(guī)劃、文化遺產(chǎn)保護(hù)及許多基于位置的服務(wù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。車載LiDAR技術(shù)為建筑三維重建提供了可靠的數(shù)據(jù)源保障，它可以直接獲取高密度、高精度的三維空間信息，非常有利于建筑物側(cè)面特征提取，從而為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的建筑三維模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)[1]。

本文基于車載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展建筑三維模型自動(dòng)重建方法研究，分析車載建模測(cè)量系統(tǒng)原理及彩色點(diǎn)云生成原理與過(guò)程，研究車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)實(shí)例證明該技術(shù)用于三維模型的可行性，為建筑物立面信息采集提供了新的技術(shù)手段。

1　車載建模測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

2　彩色點(diǎn)云生成

2.1　數(shù)據(jù)融合的基本原理

激光掃描儀所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與面陣相機(jī)獲得的影像數(shù)據(jù)相融合的目的是，通過(guò)通用坐標(biāo)系下的激光點(diǎn)Q（x，y，z），求出其面陣CCD相機(jī)上的像點(diǎn)q（i，j），然后將q的RGB值賦給Q，從而把Q變?yōu)橛蓄伾珜傩缘牟噬c(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與面陣CCD數(shù)據(jù)的融合[3]。

圖1　移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作流程

2.2　數(shù)據(jù)融合流 程

數(shù)據(jù)融合是通過(guò)解算組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)與相機(jī)相對(duì)于IMU中心的外方位元素，相機(jī)曝光時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)射脈沖，同時(shí)通過(guò)打標(biāo)的形式將信號(hào)傳遞給GNSS，從而得到曝光時(shí)的GNSS時(shí)間，在各個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步的條件下，最終可得到獲取每幅圖像時(shí)面陣相機(jī)的焦點(diǎn)坐標(biāo)以及圖像的像素坐標(biāo)。然后利用共線方程得到激光點(diǎn)在相對(duì)應(yīng)圖像上的像素坐標(biāo)，最后將對(duì)應(yīng)像素的RGB值賦給點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。

3　基于車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的關(guān)鍵技術(shù)

3.1　模型建立的原理

激光數(shù)據(jù)處理得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可以經(jīng)過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)來(lái)建立模型。不規(guī)則三角網(wǎng)是用一系列互不交叉、互不重疊且連接在一起的三角形來(lái)表示地物表面，其有柵格的空間鋪蓋特征又是矢量結(jié)構(gòu)，可以很好地描述和維護(hù)空間關(guān)系?？赏ㄟ^(guò)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成連續(xù)三角面擬合起伏的地物表面[5]。

3.2　模型建立的方法

構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的思路如下（構(gòu)網(wǎng)示意如圖2）：

圖2　三角網(wǎng)構(gòu)建示意圖

（1）首先進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，兼顧數(shù)據(jù)密度和地物局部細(xì)節(jié)特征，依據(jù)下述準(zhǔn)則分別簡(jiǎn)化每條掃描線：①每條掃描線首尾點(diǎn)保留；②若掃描線上一點(diǎn)與前數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離或與后面相鄰點(diǎn)間的距離大于一定的閾值，則保留該點(diǎn)；③對(duì)于保留下來(lái)的點(diǎn)，若距離最近的兩個(gè)點(diǎn)其距離小于一定的閾值，則合并這兩個(gè)點(diǎn)，并取其中間點(diǎn)作為新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；④重復(fù)以上操作，直到?jīng)]有點(diǎn)可以合并為止。

（2）選擇兩條相鄰的掃描線數(shù)據(jù)，分別定義為L(zhǎng)（i）,L（i+1），如果是建模開始則為 L（1）,L（2），其中L（i）上有m個(gè)掃描點(diǎn)，編號(hào)為1,2,3……m，L（i+1）上有n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，編號(hào)分別為1,2,3……n。

（3）選擇并連接L（i）上相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)P（i，j）與P（i，j+1），得到一條線段。在相鄰的掃描線L（i+1）上尋找一點(diǎn) P（i+1，k）使得 P（i，j），P（i，j+1），P（i+1，k）所構(gòu)成的三角形邊長(zhǎng)和最小，并記錄下k的值。

此時(shí)，可用“最佳反應(yīng)法”求Nash均衡解[11]，即如果投資博弈模型滿足Nash均衡的一階條件(利潤(rùn)函數(shù)對(duì)自身投資的導(dǎo)數(shù)等于0)

（4）選擇下一個(gè)掃描點(diǎn)P（i，j+1），P（i，j+2）。在L（i+1）上尋找一點(diǎn)，使得其所構(gòu)成三角形的邊長(zhǎng)的和最小。在L（i+1）上從k點(diǎn)之后開始尋找，以避免構(gòu)成的三角網(wǎng)重疊。

（5）檢查L(zhǎng)（i)上的首尾點(diǎn)是否分別和L（i+1)上的首尾點(diǎn)構(gòu)成三角形，若是沒有構(gòu)成，則將P（i，1），P（i+1，1），P（i+1，2）構(gòu)成三角形，在末端使P（i，m），P（i+1，n），P（i+1，n-1）構(gòu)成三角形。

（6）掃描L（i）掃描線中點(diǎn)［設(shè)為P（i，q）］所參與構(gòu)成的三角形的個(gè)數(shù)。若個(gè)數(shù)為2，則檢查與之構(gòu)成三角形在掃描線L（i+1）上的點(diǎn)，設(shè)其參與構(gòu)成的兩個(gè)三角形在L（i+1）的編號(hào)為t，k。如果t點(diǎn)與k點(diǎn)不相鄰，即|t-k|＞1，則將處于t點(diǎn)與k點(diǎn)之間的點(diǎn)都與點(diǎn)P（i，q）相連接構(gòu)成三角形。

（7）掃描線L（i），L（i+1）三角網(wǎng)構(gòu)建完成后，構(gòu)建掃描線L（i+1），L（i+2）。重復(fù)以上步驟。

3.3　點(diǎn)云缺失補(bǔ)洞方法

用構(gòu)建三角網(wǎng)的方法構(gòu)建模型時(shí)，模型質(zhì)量完全取決于點(diǎn)云質(zhì)量。在實(shí)際作業(yè)中，存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，對(duì)此可以采取以下方法來(lái)盡量避免。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，地物的遮擋而造成的點(diǎn)云缺失，可以采用往返掃描或者轉(zhuǎn)掃的方式來(lái)獲得盡量全的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。部分地區(qū)，由于樹木等地物離建筑物距離較近，無(wú)法通過(guò)往返掃描來(lái)填補(bǔ)漏洞，此時(shí)可以通過(guò)點(diǎn)云補(bǔ)洞的方法來(lái)彌補(bǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失。

點(diǎn)云補(bǔ)洞的過(guò)程中需要用到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一些信息，包括點(diǎn)的三維坐標(biāo)，RGB顏色信息，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)激光掃描線的編號(hào)，獲取該點(diǎn)時(shí)POS的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，航向、俯仰、橫滾角和反射點(diǎn)類別號(hào)。

從圖3可以看出，只需要將激光束從遮擋物處繼續(xù)向后延伸到房屋所在平面即可。其算法原理是對(duì)每一條掃描線進(jìn)行計(jì)算，激光束的角度不變，距離增加，設(shè)定一個(gè)值來(lái)判斷是否延伸到了建筑物。具體步驟是：

（1）讀取每條掃描線數(shù)據(jù)，根據(jù)激光掃描頭轉(zhuǎn)向的不同，載具一邊的掃描數(shù)據(jù)是從天空到地面進(jìn)行讀取，另外一邊與之相反?？筛鶕?jù)已分類的點(diǎn)云數(shù)據(jù)找出建筑物與樹木。

（2）若讀取的點(diǎn)是建筑物，記錄其與POS中心點(diǎn)的水平距離；若是樹木，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的平距變化值來(lái)計(jì)算，使其延伸至建筑物的平距值，得出極坐標(biāo)值，利用極坐標(biāo)和POS中心坐標(biāo)算出其POS坐標(biāo)系下的值。

圖3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)洞

3.4　紋理映射

三角網(wǎng)生成后需要進(jìn)行紋理映射，即將相應(yīng)的圖像貼到所構(gòu)建三角形表面。

設(shè)三角形abc為構(gòu)建的一個(gè)三角形，則在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，3個(gè)頂點(diǎn)a，b，c的空間三維坐標(biāo)都可以得到?？焖俳Ｋ命c(diǎn)云數(shù)據(jù)為經(jīng)過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與相機(jī)像片數(shù)據(jù)融合而獲得的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，故還可以知道三角形三個(gè)頂點(diǎn)在相對(duì)應(yīng)的像片中的像素坐標(biāo)。得到三角形頂點(diǎn)a，b，c所對(duì)應(yīng)的像素分別為A，B，C。

在像片中，以像素點(diǎn)A，B，C構(gòu)成一個(gè)三角形，則三角形內(nèi)的圖片即為所構(gòu)建的三角形的紋理。（如圖4）

重復(fù)以上步驟，將三角形全部貼上對(duì)應(yīng)的紋理，即可得到基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速模型。

圖4　三角網(wǎng)的紋理映射

4　實(shí)驗(yàn)分析

4.1　數(shù)據(jù)獲取與處理

本文以長(zhǎng)春市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)某區(qū)域?yàn)槔?，?shù)據(jù)采集當(dāng)日天氣良好，掃描路線上遮擋較少，GNSS信號(hào)良好。按照規(guī)劃線路獲取該區(qū)域的激光數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、里程計(jì)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，然后對(duì)該區(qū)域外業(yè)采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、模型建立等，最終得到具有位置和姿態(tài)信息的黑白點(diǎn)云數(shù)據(jù)。黑白點(diǎn)云數(shù)據(jù)與同時(shí)獲取的影像數(shù)據(jù)融合，得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)所測(cè)場(chǎng)景的真彩色三維可視化，提高數(shù)據(jù)采集的速度。

4.2　模型的建立

全自動(dòng)模型主要應(yīng)用于模型的快速建立，原理為基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)來(lái)建立，模型缺乏相應(yīng)細(xì)節(jié)，在點(diǎn)云缺失處會(huì)出現(xiàn)空洞?？稍谏倭咳斯じ缮嫦逻M(jìn)行建筑物點(diǎn)云補(bǔ)洞，來(lái)獲得較完整的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行模型建立。圖5所示為測(cè)區(qū)一棟建筑物黑白點(diǎn)云，通過(guò)激光掃描線構(gòu)建三角網(wǎng)得到其三維模型，在人工輔助下獲取建筑物的精細(xì)模型。（如圖6）

4.3　與其他建模方法對(duì)比分析

現(xiàn)有建模方法主要有依據(jù)二維GIS數(shù)據(jù)建模、航空攝影測(cè)量方法建模、機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)建模以及車載激光掃描建模等。針對(duì)這幾種方法，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行比較分析。（如表1）

圖5　建筑物黑白點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖6　點(diǎn)云處理過(guò)的建筑物模型

表1　建模方法對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比可知，車載激光掃描技術(shù)測(cè)量距離長(zhǎng)、范圍廣，數(shù)據(jù)采集速度快，需要工作人員少，每次大規(guī)模作業(yè)只要2～3人即可完成，效率高，誤差低（厘米級(jí)別），相對(duì)成本低。

5　結(jié)論

實(shí)踐表明，利用車載LiDAR技術(shù)建模，能快速獲取城市的三維空間信息和多角度影像信息，能真實(shí)反映城市的三維空間布局，克服了傳統(tǒng)建模效率低、模型紋理不夠豐富真實(shí)等缺點(diǎn)；同時(shí)，構(gòu)建的模型要素全面、細(xì)節(jié)豐富，又具有可量測(cè)分析功能。車載激光掃描是近年來(lái)興起的一種三維建模方法，適用于帶狀地形的數(shù)據(jù)采集及建筑物立面信息采集，有廣闊的發(fā)展空間。

[1]向云飛,余代俊,張兵,等.基于LiDAR數(shù)據(jù)和傾斜攝影的城市三維模型構(gòu)建[J].測(cè)繪工程,2016,25(12):65-69.

[2]沈嚴(yán),李磊,阮友田.車載激光測(cè)繪技術(shù)[J].紅外與激光工程,2009,38(3):437-440.

[3]李學(xué)友.IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量綜述[J].測(cè)繪科學(xué),2005,30(5):110-113.

[4]王留召.車載激光掃描移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:首都師范大學(xué),2011.

[5]蘇蕾.基于車載激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物建模研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2012.