郭林凱

(1.大連市測繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

基于“傾斜+LiDAR+車載”的實景三維建模實現(xiàn)

郭林凱1，2*

(1.大連市測繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

基于實現(xiàn)智慧城市建筑三維模型真實化、單體化、可量測化的目的，采用“傾斜攝影+機載LiDAR+車載信息采集”獲取建筑物三維模型體和紋理影像的方法，以統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基準(zhǔn)對不同數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)處理，并利用相關(guān)匹配技術(shù)進行模型與紋理的自動配準(zhǔn)，得出利用傾斜攝影技術(shù)、激光測量技術(shù)以及車載信息采集技術(shù)，能夠快速實現(xiàn)城市實景三維建模。

傾斜航空影像；機載LiDAR；車載信息采集系統(tǒng)；影像匹配；實景三維模型

1 引 言

當(dāng)今城市的發(fā)展正在從數(shù)字城市向智慧城市邁進，而智慧城市建設(shè)正從以前模擬的三維城市模型向真實的三維城市模型轉(zhuǎn)變，智慧城市的“智慧”體現(xiàn)在三維場景中，要求三維場景的建筑、道路、水系等具有真實性、可量測性，使人們能夠真實地感知城市、分析城市，基于這種真實城市模型提升生活方式，提高城市規(guī)劃、建設(shè)、管理的智慧服務(wù)水平[1]。近幾年，隨著計算機技術(shù)和遙感影像獲取技術(shù)的發(fā)展，基于機載傾斜攝影技術(shù)的實景三維建模技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)真實、精度高、速度快的特點和優(yōu)勢，可以真實映射我們所處的世界三維環(huán)境，因此，與此相關(guān)的建模技術(shù)得到很大發(fā)展。

1.1 實景三維城市模型概念

實景三維城市模型是指采用計算機技術(shù)，以城市地理空間框架為基準(zhǔn)，融合影像技術(shù)、計算機視覺技術(shù)、三維模型技術(shù)等，真實地還原城市建筑、道路、綠地、山地等城市基本要素單元，模擬出一個真實場景，該場景中各類城市單元如房屋、道路等具有準(zhǔn)確的空間地理坐標(biāo)，建筑物具有真實三維模型和紋理信息。

1.2 實景三維建模的現(xiàn)狀

國外在上世紀(jì)90年代就開始了對傾斜攝影測量的研究，美國Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影測量的公司，Pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已經(jīng)在北美、歐洲進行了大范圍應(yīng)用，隨后Google Earth、Leica、微軟公司也研究了傾斜影像系統(tǒng)[2]。國內(nèi)劉先林院士研發(fā)了SWDC系列傾斜攝影系統(tǒng)、中國飛思研發(fā)了AMC580傾斜攝影系統(tǒng)，這些傾斜攝影系統(tǒng)的產(chǎn)生為實景三維建模創(chuàng)造了條件。目前，國內(nèi)外主要實景建模技術(shù)如下：

國外以法國Astrium的街景工廠(Street Factory)、美國Intergraph的Smart 3D為代表的利用傾斜攝影技術(shù)進行實景三維建模，其特點對區(qū)域整體實景建模，建模效率高、自動化程度高，但精細化差、無法實現(xiàn)建筑物單體化。

國內(nèi)華正空間(武漢)軟件技術(shù)有限公司、武漢天際航軟件技術(shù)有限公司等為代表采用機載LiDAR和傾斜攝影技術(shù)進行實景三維建模，其特點實現(xiàn)建筑物單體化，模型相對精細，效率較低。

2 數(shù)據(jù)源分析

2.1 LiDAR數(shù)據(jù)源分析

機載LiDAR系統(tǒng)是以飛機作為激光測量平臺，采用激光掃測系統(tǒng)進行測量，直接向地面、地表發(fā)射激光進行測量，實時獲取地表地物的點云數(shù)據(jù)，從而獲得地表三維空間信息。它整合了激光測距儀(Laser)、高精度慣性測量裝置(IMU)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)三個高新技術(shù)，是計算機技術(shù)、激光技術(shù)、定位定向技術(shù)和實時、動態(tài)的高精度動態(tài)GPS技術(shù)迅速發(fā)展的綜合體現(xiàn)[3]。通過LiDAR獲取的點云數(shù)據(jù)具有高精度的地表信息和建筑物外輪廓特征，利用點云生成的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)構(gòu)建實景三維城市的地表場景，也能利用建筑物的點云數(shù)據(jù)快速構(gòu)建建筑物的三維模型體，點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 點云數(shù)據(jù)

2.2 傾斜影像數(shù)據(jù)源分析

傾斜攝影技術(shù)是國內(nèi)最近幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)航空攝影只有一個下視角攝影儀的特點，采用在同一飛行平臺上搭載多臺攝影相機，在航攝過程中同時間獲取下視角，前后、左右4個傾斜視角5個不同的角度地面影像信息[4]。傾斜攝影能夠獲取同一建筑物的頂部、四周側(cè)面影像信息，這些影像信息能夠為實景三維城市建模提供真實的紋理，傾斜影像如圖2所示。

圖2 傾斜影像示意圖

2.3 車載移動地面影像和點云數(shù)據(jù)源分析

車載信息采集系統(tǒng)是通過在一輛采集車頂安裝影像采集設(shè)備和激光采集設(shè)備，同時配備GPS和IMU導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在車輛快速行進過程中，能夠快速采集沿途道路周邊的影像和點云數(shù)據(jù)，能夠快速提取感興趣的建筑物影像以及道路、路燈、樹木、廣告牌、交通設(shè)施等地理信息數(shù)據(jù)的綜合性地面移動采集系統(tǒng)[5]。車載移動測量系統(tǒng)能夠獲取近地面的地物要素的影像和點云數(shù)據(jù)，是傾斜攝影獲取的影像和機載LiDAR獲取的點云數(shù)據(jù)的補充，能夠應(yīng)用與實景三維建模中補充建筑物底部的細節(jié)信息，車載獲取近地面影像如圖3所示。

圖3 車載獲取近地面影像

3 實景三維城市建模的思路

實景三維城市建模的思路：以機載LiDAR測量、傾斜攝影測量、車載移動測量系統(tǒng)獲取實景三維城市建模所需的數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)進行高精度三維模型體制作，采用機載多角度傾斜攝影測量數(shù)據(jù)進行實景三維城市模型的建筑物紋理的自動生成，采用通過街景技術(shù)、實景三維影像生成技術(shù)以及計算機的高精度匹配技術(shù)實現(xiàn)空地一體實景三維城市精細建模的方式，實景三維城市建模的思路如圖4所示。

圖4 實景三維城市建模的思路

4 “傾斜+LiDAR+車載”建模的實現(xiàn)

以獲取的傾斜影像、激光點云以及車載影像和點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行實景三維城市建模，主要工作包括對傾斜影像、激光點云以及車載數(shù)據(jù)空三加密處理，利用LiDAR點云數(shù)據(jù)制作DEM、DSM和建筑物三維模型體制作，傾斜影像與三維模型體的自動匹配以及利用車載數(shù)據(jù)對近地面建筑物三維模型和紋理的精細化處理。

4.1 數(shù)據(jù)源的空三加密處理

為保證處理樓的傾斜影像、LiDAR點云以及車載數(shù)據(jù)能夠自動配準(zhǔn)，采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)，即統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)，進行數(shù)據(jù)獲取時的基站點架設(shè)、像控點測量、檢校場布設(shè)，并充分利用機載、車載的POS數(shù)據(jù)對傾斜影像、激光點云以及車載的影像和點云進行空三加密處理，使各類數(shù)據(jù)具有真實的三維坐標(biāo)信息。

4.2 利用LiDAR進行三維模型體制作

(1)提取建筑物點云數(shù)據(jù)

將獲取的機載LiDAR點云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理和分類后，提取建筑物的點云數(shù)據(jù)[6]，如圖5所示。

圖5 建筑物點云

(2)提取建筑物矢量數(shù)據(jù)

從已有的1∶500數(shù)字線劃圖上提取建筑物的房屋面數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 建筑物矢量數(shù)據(jù)

(3)以建筑物矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合點云數(shù)據(jù)拉伸建筑物高度，勾畫建筑細節(jié)、進行建筑物三維模型的制作，制作的建筑物模型體如圖7所示。

圖7 建筑物三維模型體

4.3 利用傾斜影像實現(xiàn)模型體的紋理融合

根據(jù)已經(jīng)建立好的三維模型體具有三維坐標(biāo)信息，與經(jīng)過空三加密處理后每張傾斜影像上的像點坐標(biāo)具有的三維坐標(biāo)信息進行配準(zhǔn)，將糾正后多角度影像紋理與模型數(shù)據(jù)進行三維模型配準(zhǔn)[7]，并自動提取附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上，實現(xiàn)模型與紋理的自動映射，完成實景三維建筑物模型的制作[8]。

(1)紋理影像選擇與提取

傾斜攝影獲取建筑物的同一紋理有很多，在為三維模型體選擇匹配紋理時，為保證模型的外觀質(zhì)量，需從很多的相片中選擇清晰、高質(zhì)量影像，通過計算每一紋理在相同圖幅大小相片中所占面積的大小，選擇紋理面積占比最大的影像作為紋理映射數(shù)據(jù)源，因為面積越大，表明相機距離映射的建筑物越近，影像質(zhì)量越好[9]。

(2)紋理范圍的確定和裁切

根據(jù)模型需要映射的范圍大小確定數(shù)據(jù)源影像上紋理區(qū)域的范圍，根據(jù)確定的紋理裁切范圍，進行影像裁切，生成貼圖文件。

(3)紋理與模型配準(zhǔn)

將具有統(tǒng)一空間基準(zhǔn)的三維模型體上的每個頂點與待貼的紋理的影像坐標(biāo)進行配準(zhǔn)[10]，實現(xiàn)三維模型體頂點與紋理坐標(biāo)的像點單元一一對應(yīng)，根據(jù)頂點之間的紋理坐標(biāo)，進行插值調(diào)勻，完成三維模型體的自動貼圖，從許多影像中選擇紋理進行三維模型體貼圖，如圖8所示。

圖8 影像中選擇紋理貼圖

(4)三維模型體與傾斜影像融合的效果，如圖9所示。

圖9 融合效果圖

4.4 利用街景數(shù)據(jù)進行實景三維城市模型的底部完善

利用車載信息采集系統(tǒng)自帶的軟件對獲取的道路兩側(cè)的影像和點云完成定位定向，統(tǒng)一到實景三維城市建模的空間基準(zhǔn)中，對道路兩邊的建筑物的三維模型和紋理進一步優(yōu)化處理，并與實景三維場景數(shù)據(jù)進行融合[11]，生成道路兩側(cè)精細化的實景三維模型數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 精細化的實景三維模型

5 問題及處理

大連地形是低山丘陵，地勢南低北高、三面環(huán)海，城市的建筑往往依山傍海而建，形成建筑的主體底部一部分在地面上、一部分在地面下的“半地下”特色建筑，其實景三維建模不同一般城市建模方式，即模型與DEM、DOM三者的簡單套合，而是需要考慮這種“半地下”建筑如何與場景充分的融合，既不要出現(xiàn)模型與場景套合懸空、漏縫的現(xiàn)象，又要體現(xiàn)“半地下”建筑的特征。

經(jīng)反復(fù)研究、測試，因為建筑周邊實際地形、地勢不可能很規(guī)則，而是存在凸凹不平、高低不一的現(xiàn)象，按照每一立面高度進行建模，很難做到模型底部與場景完全套合，就出現(xiàn)模型和場景漏縫現(xiàn)象。因此，采用最高立面整體建模的思路，可以解決這種“半地下”建筑實景三維建模，其處理過程如下：

(1)以建筑全部露出地面的一側(cè)立面(房高最高一側(cè))為基準(zhǔn)面，其他建筑立面按照最高側(cè)面構(gòu)建模型體，進行整個建筑實景三維建模，如圖11所示，將建筑原本被埋在地下的部分也進行建模；

圖11 半地下全部顯示的三維模型

(2)DEM的精細化處理，將房屋摳除，利用周邊地形的坡度將該處DEM擬合為類似“斜坡”DEM，如圖12所示；

圖12 類似“斜坡”DEM

(3)房屋模型與DEM、DOM的套合，將房屋模型根據(jù)空間坐標(biāo)插入到DEM與DOM擬合三維實景場景中，實現(xiàn)三維模型的部分在地面下、部分在地面上的效果，整體效果如圖13所示。

圖13 半地下建筑三維模型場景

6 結(jié) 論

通過本次試驗可以發(fā)現(xiàn)：實景三維建模技術(shù)主要涉及數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、三維模型體建立技術(shù)以及模型與影像紋理的融合技術(shù)，利用多角度傾斜攝影系統(tǒng)、機載激光掃描系統(tǒng)、車載移動采集系統(tǒng)獲取建模數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實景三維城市建模，結(jié)論如下：

(1)采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)，保證各類數(shù)據(jù)的融合以及自動建模?；诮y(tǒng)一的空間基準(zhǔn)以及坐標(biāo)系統(tǒng)，使LiDAR三維模型數(shù)據(jù)和傾斜攝影以及車載移動獲取的數(shù)據(jù)都具有真實的三維坐標(biāo)，通過計算機的自動匹配技術(shù)，將影像的紋理自動映射到三維模型上，實現(xiàn)實景三維建模的自動配準(zhǔn)。

(2)充分利用已有的建筑物矢量面數(shù)據(jù)，提高了生成建筑物三維模型體的效率。

(3)與車載移動測量數(shù)據(jù)的融合，能夠提高模型的紋理質(zhì)量。

(4)對于根據(jù)地形、地勢而建的建筑實景三維建模，一是需要精細化擬合扣除建筑物后DEM，二是需要以建筑最高立面進行整體建模，能夠保證模型與地形完全套合。

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Based on the “Oblique+LiDAR+Vehicle” Real 3D Modeling

Guo Linkai1，2

(1.Surveying & Mapping Institute of Dalian，Dalian 116011，China； 2.Geomatics Center of Dalian，Dalian 116011，China)

Based on the realization of intelligent city building 3D model of real，monomer and measurement of objective，uses the “oblique photography and airborne LiDAR+vehicle information acquisition” method for acquiring 3D building model and texture image，in a unified mathematical benchmark on different data sources for data processing，and use of relevant matching technology in the automatic registration of texture model and that with a tilted photography technology，laser measurement technology and vehicle information acquisition technology，can realize the rapid city real 3D modeling.

oblique aerial image；airborne LiDAR；vehicle information acquisition system；image matching；3D scene model

1672-8262(2017)01-71-05

P208.2

B

2016—06—07 作者簡介：郭林凱(1979—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事航空攝影測量與遙感、地理空間信息處理、實景三維建模等方面工作。