牛建國

（河北省第二測繪院，石家莊050000）

1 傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)與Lidar數(shù)據(jù)、傾斜攝影

1.1 傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)

構(gòu)建城市三維模型離不開大量數(shù)據(jù)支持，因此，空間信息獲取技術(shù)決定了城市三維建模的發(fā)展。傳統(tǒng)的空間信息獲取技術(shù)主要有傳統(tǒng)測量方法、二維矢量圖、航空攝影技術(shù)、三維激光掃描4種：（1）全站儀、RTK技術(shù)等均屬于傳統(tǒng)的測量方法，將利用這些測量方法獲取的城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件后，可完成城市模型的構(gòu)建工作。（2）二維矢量圖可對城市已有地形圖、城市規(guī)劃圖進行掃描，然后依據(jù)高度輔助數(shù)據(jù)建立建筑模型。通常而言，房屋的高度可通過層高推算。這一信息獲取技術(shù)僅適用于建模精度要求不高的情況。（3）航空攝影技術(shù)是借助航空攝影技術(shù)獲取城市航空影像，再通過一定的數(shù)據(jù)處理過程為城市三維模型的構(gòu)建提供依據(jù)。（4）三維激光掃描方式可以快速獲取地面大面積的三維點云，將這些城市數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中，可更方便快捷地構(gòu)建三維模型。

1.2 Lidar數(shù)據(jù)與傾斜攝影

Lidar系統(tǒng)以飛行器為載體，是一種新型對地觀測技術(shù)，主要通過掃描地球表面獲取地球表面的信息與數(shù)據(jù)。較之傳統(tǒng)空間信息獲取技術(shù)，Lidar系統(tǒng)獲取的激光點云數(shù)據(jù)精度與密度更高[1]。借助激光測距技術(shù)、動態(tài)GLASS定位技術(shù)與慣性測量技術(shù)，Lidar系統(tǒng)可通過對系統(tǒng)的同步控制推動數(shù)據(jù)同步處理的實現(xiàn)，進而還完成定位流程。

傾斜攝影測量技術(shù)可在同一時間從正下、前、后、左、右不同方向與地面構(gòu)成一定角度后獲取地面影像數(shù)據(jù)，因此，其屬于一種多角度觀測的攝影測量技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)不僅可獲取被攝區(qū)域的正射影像，還可獲取被攝區(qū)域的傾斜影像，還可記錄拍攝點位的位置信息，以此在后期數(shù)據(jù)處理中實現(xiàn)影像的空間定位。但是，傾斜攝影無法將某些建筑物模型單獨分離，因而無法滿足對單個建筑物進行分析管理的需求。相較于Lidar技術(shù)獲得的高精度三維點位坐標，傾斜攝影測量技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)精度較低，無法為構(gòu)建城市三維模型提供數(shù)字高程模型。

2 城市三維模型構(gòu)建技術(shù)

在三維模型構(gòu)建和真實紋理制作方面，Lidar數(shù)據(jù)具有可以快速高效獲得大量密集地面三維點云的優(yōu)勢，因而其在地表密集三維模型構(gòu)建中具有廣泛的應(yīng)用。傾斜攝影則可通過獲得地表建筑景觀的多視角紋理更方便地制作三維模型的真實紋理。具體過程為：（1）利用機載Lidar采集點云數(shù)據(jù)，借助傾斜攝影技術(shù)采集原始建筑數(shù)據(jù)；（2）對Lidar點云數(shù)據(jù)進行初步處理與分類，甄選其中的建筑物、橋梁、樹木、道路等地物類型，初步構(gòu)建起地物的三維模型；（3）在Lidar點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影獲得建筑影像相結(jié)合的基礎(chǔ)上制作DOM（數(shù)字正射影像圖）；（4）利用傾斜影像與地物三維模型構(gòu)建起建筑物貼圖模型、沿街要素模型與樹木模型。

3 DEM（數(shù)字高程模型）與DOM的生成

3.1 原始數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

根據(jù)攝區(qū)范圍，需要采用Aroute設(shè)計軟件在充分考慮航帶長度、太陽角、光線強度和地面高程變化等因素的前提下進行航線設(shè)計。正式飛行前，應(yīng)仔細檢查所有設(shè)備的安裝與參數(shù)設(shè)置，補攝與重攝均應(yīng)按照原設(shè)計航跡進行，且補攝航線的長度需滿足用戶區(qū)域網(wǎng)對空三加密的要求。飛行結(jié)束后，應(yīng)及時下載飛行記錄數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，然后進行輻射糾正與勻色處理。

3.2 空三加密

計算區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差，首先，需將輸出工程區(qū)像片的初試外方位元素引入像控點大地坐標，然后將IMU/DGPS輔助航空攝影得到的6個外方位元素作為帶權(quán)觀測值參與平差計算中，這一過程中需應(yīng)用加密成果進行定向。空三加密系統(tǒng)除可自動進行空三區(qū)域內(nèi)的點匹配，還可利用點匹配的結(jié)果與初始外方位元素進行區(qū)域網(wǎng)平差。

3.3 點云分類

為了將飛機航行時的飛行姿態(tài)與掃描位置等空間位置信息一一還原，需利用IPAS PRO軟件將空中原始數(shù)據(jù)解壓，并在GrafNav軟件中對空中和地面基站GPS數(shù)據(jù)進行插分融合處理。激光原始數(shù)據(jù)的處理主要應(yīng)用ALS Post Processing軟件，WGS84坐標與項目所在的UTM坐標帶可確保激光點云數(shù)據(jù)獲得地理坐標，并實現(xiàn)噪聲點的處理。人工去除噪點后即可形成DSM，通過宏定義的建立來完成植被初分類工作。

Terrascan與Terramodel軟件可自動完成去除點云噪聲與地面點分類工作，此后再經(jīng)過少量人工編輯即可將處理不正確的數(shù)據(jù)編輯到正確的數(shù)據(jù)層。在完成上述一系列數(shù)據(jù)處理工序后，即可獲得更為高效、精確的地面數(shù)據(jù)，植被覆蓋區(qū)域DEM的精度由此可得到保證。利用GPR和DEM數(shù)據(jù)對影像進行糾正，以此獲取正射影像。

4 三維模型構(gòu)建

4.1 地面建模

作為整個城市三維模型的底層，地形模型起到重要的支撐作用，其他三維模型均需放置在地形模型之上。地形模型的精度對城市空間分析有直接的影響，同時可避免與建筑物模型交錯。在Lidar數(shù)據(jù)和傾斜攝影的基礎(chǔ)上完成的地形三維建模，對原始點云濾波后只剩地面點，剔除建筑物與植被點后會形成數(shù)據(jù)孔洞，此時需對濾波后的點云進行數(shù)據(jù)內(nèi)插。為增加地形精度并為日后的編輯工作提供便利，應(yīng)才用距離權(quán)重法將地面點內(nèi)插成1m×1m的規(guī)則格網(wǎng)。在實際生產(chǎn)中，還需按照一定的圖廓劃分DOM和規(guī)則格網(wǎng)，將其劃分在同一個圖廓歸屬為一個對象，即對象化地形模型以實現(xiàn)對地形模型的有效管理[2]。

4.2 建筑物建模

作為城市三維模型的主要元素，進行建筑物建模時，應(yīng)充分考慮后期的模型編輯與更新。因此，應(yīng)將建筑物模型制作為單體線框模型，與地面模型一樣采用面向?qū)ο蟮男问竭M行管理。如前文所述，Lidar數(shù)據(jù)技術(shù)中的點云擁有高精度坐標，但描述建筑物的輪廓能力十分有限，因此，還需根據(jù)傾斜攝影獲取的建筑影像勾勒建筑物的輪廓。

對于高層建筑，根據(jù)影像勾勒出的建筑物輪廓往往會因投影差而與實際坐標產(chǎn)生細微的差別，因此，需將輪廓移動至點云邊界。單獨依靠建筑物輪廓信息無法建模，因此，高程和建筑物的高度信息必不可少。對此，可充分利用機載Lidar技術(shù)獲取建筑物頂面以及側(cè)面和地面點的點云數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，機載Lidar與傾斜攝影相結(jié)合的城市實景三維建模方法具有精度高、成本低、增強模型真實感的優(yōu)勢。但在實際應(yīng)用中，勾勒建筑物輪廓及確定建筑物高度時手動操作較多，因而工作效率較為低下。針對這一問題，域內(nèi)專家學(xué)者應(yīng)進一步深入研究建筑物輪廓線的自動提取。