田奇丁 陸玉明 宗婷婷 張 蓓 孫 濤

（河南省地礦局測繪地理信息院，河南 鄭州450006）

1 引言

數(shù)字城市，是指運用測量、遙感、電腦網(wǎng)絡(luò)、多媒體及仿真-虛擬技術(shù)等對城市的全部基礎(chǔ)設(shè)施、功能機制進行動態(tài)監(jiān)測與管理、輔助決策及大眾服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)。這種功能的實現(xiàn)需要各方面數(shù)據(jù)的支撐，真實可量測的三維景觀模型數(shù)據(jù)是其中很重要的組成部分。通過機載激光雷達和數(shù)字航空攝影測量方法進行數(shù)據(jù)采集，表達城市物體的三維模型，包括三維地形模型、三維建筑模型、三維管線模型。這些三維模型是數(shù)字城市重要的基礎(chǔ)信息之一，因此城市三維建模的技術(shù)和方法研究是基礎(chǔ)地理信息行業(yè)的熱點并且逐步成熟，目前已有的三維建筑建模技術(shù)多種多樣。該方法精度高、速度快、可量測、多應(yīng)用，對數(shù)字城市的建立與完善具有巨大的推動作用。

其中傳統(tǒng)的城市三維建筑模型的建立方法主要有：

（1）根據(jù)數(shù)碼影像人工建模；（2）采用規(guī)劃設(shè)計圖紙和數(shù)碼影像；（3）全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)。

2 激光雷達技術(shù)在三維建筑模型中的應(yīng)用

2.1 機載激光雷達測量技術(shù)原理簡介

機載 LiDAR（Light Laser Detection and Ranging）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。作為一種先進的測量手段，其快速采集高精度激光點云數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)碼影像的特點，必將為建設(shè)工程行業(yè)帶來新的技術(shù)革命。它集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機等光譜成像設(shè)備。其中主動傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術(shù)可獲取探測目標的數(shù)字成像信息，經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果［1］。

2.2 基于LIDAR的三維建模技術(shù)

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)，可以測量地面物體的三維坐標。機載LIADR是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，它集激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元差分定位技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實時獲取方面產(chǎn)生了重大的突破，未獲取高時空分辨地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)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(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)據(jù)地面模型（DTM）、等高線圖?？梢愿鶕?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。

2.3 數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

結(jié)合采集原始的數(shù)據(jù)，進行GPS／IMU聯(lián)合解算，可以得到掃描儀及相機曝光瞬間的WGS84坐標下的軌跡文件，進而快速確定激光點云的空間位置及影像的外方位元素。若需轉(zhuǎn)換坐標系統(tǒng)，則通過一定的方法進行平面與高程的坐標轉(zhuǎn)換。最后對激光點云進行分類、排除飛點和柱狀地物點，提取地面點數(shù)據(jù)

2.4 三維建筑模型建模

LAS點云數(shù)據(jù)預(yù)建筑物特征矢量數(shù)據(jù)融合：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。（使用LIDAR數(shù)據(jù)商業(yè)處理軟件，可以快速將地面數(shù)據(jù)與非地面數(shù)據(jù)分離，得到純地表數(shù)據(jù)，生成DEM；初始的影像外方位元素一般達不到精度要求，利用純地表數(shù)據(jù)對影像外方位元素通過尋找同名像點的方式進行校正，可以快速生成DOM。DEM和DOM疊加在一起的三維地形模型，能夠清晰地表達地形的高程信息及紋理信息，從而反映真實三維地形信息。）用采集的建筑物邊線代替激光點云構(gòu)成的不規(guī)則建筑物邊線，使建筑物邊緣整齊一致。由于點間距設(shè)置的不同，激光掃描儀采集到的建筑物點云，不能完全表達建筑物的輪廓，最后將房屋邊緣不整齊，大多呈現(xiàn)鋸齒狀進行修整，還原城市建筑原貌［2］。

3 紋理數(shù)據(jù)獲取

LIDAR航空攝影測量的技術(shù)手段可以快速高效地獲取高精度的建筑物的三維結(jié)構(gòu)，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，或采用人機交互獲取建筑物紋理。在實際生產(chǎn)中通常采用兩者相結(jié)合的方式來進行。

3.1 LIDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)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)采集和處理，將新型的LIDAR點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)和傳統(tǒng)的航空攝影測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)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。

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(jié)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。

3.2 LIDAR結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)

LIDAR技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合可以同時采集地面店云和傾斜影響數(shù)據(jù)，利用LIDAR點云分離獲取建筑物模型，利用傾斜攝影測量傳感獲取建筑物頂面及側(cè)面紋理，自動生成建筑物三維模型。

a.LIDAR點云生成三維模型。

b.將傾斜攝影數(shù)據(jù)進行空三加密，生成LIDAR數(shù)據(jù)客套和的加密成果。

c.疊加從LIDAR處理步驟中得到的三維模型輪廓數(shù)據(jù)，自動提取建筑物頂部和側(cè)臉紋理并建立模型。

紋理影像的內(nèi)、外方位元素的獲取方式，可以采用與正攝獲取的影像相同的方式，即結(jié)合GPS偏心分量、IMU／GPS聯(lián)合差分解算，以及相機的偏心分量，得到紋理影像的原始外方位元素。獲取的影像為中心投影，存在畸變差，傾斜攝影更甚。因此，紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點之間不能精確一一對應(yīng)，為減輕后期紋理粘貼工作的難度，采用后方交會的方式對紋理影像進行幾何糾正，即找正射影像與紋理影像的同名點，達到紋理影像與建筑墻面上各空間物方同名點一一對應(yīng)的目的。

利用專業(yè)軟件，便可進行紋理面的選擇、勻光處理等，將最能準確、真實反映建筑紋理信息的影像映射在對應(yīng)的模型上，以達到反映建筑現(xiàn)狀及城市現(xiàn)狀的目的。城市高樓密集，因此航空紋理影像難免出現(xiàn)遮擋和陰影，可以適當?shù)剡M行處理，還原真實的建筑物紋理。

4 三維激光掃描測量的優(yōu)勢

4.1 LIDAR結(jié)合傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)可以全自動獲取精準建筑物結(jié)構(gòu)，并自動提取建筑物頂部紋理。

4.2 采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。

4.3 具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，可以極大地降低成本，節(jié)約時間，而且使用方便，這項技術(shù)輸出格式可以直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口［5］。

5 基于航空影像的三維建模技術(shù)

以DMC航空攝影測量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源對廊坊市規(guī)劃區(qū)內(nèi)進行城市三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)，利用DMC航空影像數(shù)據(jù)處理、DEM及三維模型的生產(chǎn)流程相關(guān)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、框架數(shù)據(jù)采集、模型紋理照片采集與制作、精度評定與分析等。建立DMC航空攝影測量數(shù)據(jù)進行城市三維建模的技術(shù)方法與流程，包括空三加密、DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、框架數(shù)據(jù)采集、紋理制作、模型制作等；最后，對廊坊市規(guī)劃區(qū)的三維模型數(shù)據(jù)中建筑物的特征點及代表性線段進行了平面點位精度與距離精度的評定，分析影響三維模型精度因素。

6 結(jié)語

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維的城市信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足信息時代的需求，將三維空間信息完整呈現(xiàn)已成為社會發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此對快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和重現(xiàn)現(xiàn)實生活提出了更高的要求。利用激光雷達技術(shù)采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，可以達到房屋建模速度快，高程精度高，適用范圍廣，外也少，紋理映射自動化程度高，但在高樓林立，植被茂密的地方，還是需要地面補拍。建成的模型，在具有精度搞得同時，其數(shù)據(jù)量相對的也比較大，常用的瀏覽軟件運行速度慢。大范圍的真實的三維紋理模型的快速瀏覽、海量數(shù)據(jù)的存儲和傳輸?shù)榷际怯写鉀Q的技術(shù)難題。

能夠滿足分析與量測需求，適合大規(guī)模數(shù)字城市建設(shè)。