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        基于機(jī)載LIDAR技術(shù)的建筑物三維模型快速構(gòu)建方法探討

        2019-02-09 05:28:40宋書(shū)芳
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年2期

        宋書(shū)芳

        摘 要:本論文介紹了一種基于機(jī)載LIDAR技術(shù),快速獲取建筑物三維模型的快速構(gòu)建方法。首先,將高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)濾波及相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法,得到了建筑物的點(diǎn)云信息;其次,利用獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)提取,分別構(gòu)建特征線與特征面,采用7參數(shù)建筑物模型的方法,實(shí)現(xiàn)了建筑物的三維建模;最終,利用這種方法得到了場(chǎng)景中所有建筑物的快速重建。

        關(guān)鍵詞:LIDAR;三維模型;點(diǎn)云數(shù)據(jù);濾波;快速重建

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.123

        0 引言

        在國(guó)家信息化浪潮及“數(shù)字城市”理念的推動(dòng)下,城市信息化也在朝著深度及廣度方面不斷的發(fā)展。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,簡(jiǎn)稱GIS)作為城市數(shù)字化及三維數(shù)據(jù)管理的重要技術(shù)之一,已經(jīng)逐漸的成熟起來(lái)。目前城市建筑物數(shù)據(jù)的獲取主要以地形圖結(jié)合建筑設(shè)計(jì)圖紙、航拍影像或者實(shí)地量測(cè)等方法。這些方法各有特點(diǎn),但數(shù)據(jù)采集工序繁瑣、周期長(zhǎng)、效率低且成本較高,尤其是針對(duì)復(fù)雜建筑物獲取的數(shù)據(jù)精度較低,常常由于誤差的累積,造成重建的模型失真。

        激光掃描測(cè)距技術(shù)(Light Detection and Ranging, LIDAR)是一種快速、直接地獲取地形表面模型的技術(shù)[1];與傳統(tǒng)的光學(xué)及微波遙感不同,LIDAR通過(guò)離散點(diǎn)組成的點(diǎn)云,快速、精確地獲取地面特征在水平和垂直方向上的位置。在獲取方式中,機(jī)載LIDAR以其在地面信息探測(cè)及模型的恢復(fù)、重建等方面的優(yōu)勢(shì),成為近十年快速發(fā)展的一種新型測(cè)量技術(shù)。通過(guò)該技術(shù),可以大面積、快速、大量的采集城市建筑物三維數(shù)據(jù)信息,其高效、高精度、自動(dòng)化、成本低等特點(diǎn),是其他方法無(wú)法比擬的[2]。

        本論文介紹了一種利用機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù),快速獲取城市建筑物三維模型的方法,該方法能夠還原建筑物的真實(shí)結(jié)構(gòu)與空間位置,在數(shù)字城市建設(shè)以及城市規(guī)劃等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

        1 數(shù)據(jù)介紹及處理方法

        1.1 數(shù)據(jù)介紹

        機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為2006年2月15日,飛機(jī)的飛行區(qū)域?yàn)樯虾F謻|陸家嘴地區(qū),采用ALTM3100機(jī)載LiDAR系統(tǒng),前期對(duì)飛機(jī)GPS軌跡數(shù)據(jù)、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動(dòng)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理,最后得到該試驗(yàn)區(qū)域的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

        1.2 數(shù)據(jù)處理

        獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波處理,濾波的基本原理是針對(duì)臨近激光腳點(diǎn)的不連續(xù)高程突變進(jìn)行濾出[3],識(shí)別出地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地物識(shí)別是指從非地面點(diǎn)中區(qū)分出植被點(diǎn)、人工地物(房屋、橋梁等)等,從而進(jìn)一步研究地物的空間特性。根據(jù)植被與人工地物的反射特性及空間幾何關(guān)系,研究房植被、房屋、橋梁等的統(tǒng)計(jì)特性,如回波類型、反射強(qiáng)度、點(diǎn)的高程、點(diǎn)高程二次導(dǎo)數(shù)等數(shù)學(xué)關(guān)系,尋找人工建筑、植被、電力線的區(qū)別,通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)特性將這三種地物區(qū)分開(kāi)來(lái),最終得到用于建模的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖3中規(guī)則的地區(qū)為建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)實(shí)地調(diào)查檢驗(yàn)得出分類精度為95%。數(shù)據(jù)處理的具體流程圖見(jiàn)圖1。

        2 建筑物三維模型構(gòu)建

        2.1 基本原理

        本論文采用Vosselman在2002年提出的7參數(shù)建筑物識(shí)別方法[4]。其主要原理是,任何一個(gè)規(guī)則的建筑物,都可以用7個(gè)參數(shù)來(lái)描述其位置及結(jié)構(gòu)形態(tài)。這7個(gè)參數(shù)是:建筑物的長(zhǎng)(lx)、寬(ly)、高(H),某個(gè)房角點(diǎn)的坐標(biāo)(X,Y),房屋邊緣的傾角(α)以及房屋的偏轉(zhuǎn)角(θ)。通過(guò)求算這7個(gè)參數(shù),可以確定出某個(gè)規(guī)則建筑物所處的空間位置及三維結(jié)構(gòu)信息(圖2)。

        2.2 三維模型構(gòu)建

        在點(diǎn)云中單獨(dú)借助截面顯示只能得到房屋的大致形狀,很難完全了解房屋的結(jié)構(gòu)和精確位置,不利于數(shù)據(jù)信息的后續(xù)利用。從離散的點(diǎn)中根據(jù)一定的規(guī)則提取出房屋平面及邊緣,構(gòu)建房屋的三維模型,使激光雷達(dá)數(shù)據(jù)信息表達(dá)更直觀,便于數(shù)據(jù)信息的后續(xù)利用。

        (1)特征信息提取。針對(duì)得到的建筑物點(diǎn)云信息,利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法,檢測(cè)得到房屋的邊緣,然后通過(guò)孤立點(diǎn)分離,得出最外圍的特征點(diǎn)所在的位置。將具有特征信息的點(diǎn)組成線段以及線段合并和帶權(quán)的線段競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制優(yōu)化檢測(cè)到的直線段,最后通過(guò)規(guī)則化手段將檢測(cè)到的線段進(jìn)行調(diào)整,使線段滿足建筑物常有的平行、垂直關(guān)系,得到矢量化的建筑物。

        一個(gè)矢量圖快描述了一個(gè)屋頂面片,矢量圖中具有點(diǎn)數(shù)最多的類型是代表該屋頂面片的點(diǎn)。屋頂面片的生成需要確定其邊界多邊形中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z 坐標(biāo),為了能夠產(chǎn)生適合三維現(xiàn)實(shí)的效果,同時(shí)需要將具有三維坐標(biāo)的多邊形構(gòu)成三角網(wǎng)、形成圖形渲染工具要求的網(wǎng)格模型。墻面的生成比較簡(jiǎn)單,對(duì)屋頂面片的每一個(gè)邊界,依次遍歷邊界中的每一條線段,求得其與下一層屋頂之間的距離,形成一個(gè)矩形(或者梯形,當(dāng)邊界是斜邊構(gòu)成的結(jié)果為梯形,當(dāng)邊界平行于地面,構(gòu)成的結(jié)果為矩形)(圖3)。

        利用提取的建筑物特征信息,得到房屋結(jié)構(gòu)的輪廓。建筑物提取的難點(diǎn)在屋頂形狀的提取,對(duì)于規(guī)則屋頂(人字形、平頂及圓頂)以上算法都有不錯(cuò)的效果,但對(duì)于復(fù)雜的屋頂,還需要人工干預(yù)或進(jìn)一步處理。7參數(shù)建筑物模型中確定了建筑物所在的位置以及結(jié)構(gòu),也就是建筑物的空間信息,因此采用這種方法可以得出整個(gè)場(chǎng)景中所有建筑物的三維模型,見(jiàn)圖4。

        3 結(jié)論

        本論文利用機(jī)載LIDAR獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)濾波及數(shù)據(jù)算法的處理,得到了建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù);然后利用7參數(shù)建筑物三維模型,形成了一套城市建筑物三維快速建模方法。主要的結(jié)論有:

        (1)從復(fù)雜地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中采用智能化濾波處理技術(shù)得到了建筑物的點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù);

        (2)從點(diǎn)到線再到面,提出了建筑物特征輪廓快速提取及建模的技術(shù)。

        該項(xiàng)技術(shù)同時(shí)獲取了建筑物的空間分布與結(jié)構(gòu)信息,能夠真實(shí)的反映出場(chǎng)景中建筑物的信息,對(duì)在我國(guó)開(kāi)展大范圍城市建筑物規(guī)劃及地理信息數(shù)據(jù)的更細(xì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,并能夠有效地服務(wù)于我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè),更好地適應(yīng)不斷加快的城市信息化建設(shè)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]劉春,陳華云,吳杭彬.激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取[M]. 北京:科學(xué)出版社,2010:8-14.

        [2]徐祖艦,王滋政,陽(yáng)鋒.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2009:2-6.

        [3]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2007:23-45.

        [4]Vosselman G.Fusion of laser scanning data,maps,and aerial photographs for building reconstruction// Geoscience and Remote Sensing Symposium,2002.

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