基于LiDAR和航空影像的三维建模方法探讨

冯梅

(河南省遥感测绘院，河南郑州450003)

基于LiDAR和航空影像的三维建模方法探讨

冯梅

(河南省遥感测绘院，河南郑州450003)

列举三维数字城市的快速建模方法，并对这些方法的优缺点进行比较。

LiDAR摄影;三维建模;倾斜摄影;三维数字城市

一、引 言

随着数字城市建设在全国范围的快速发展，三维数字城市及各行业的三维行业软件的开发应用越来越普遍，为满足日益增长的三维GIS的应用需求，对三维数据的生产也提出了更高的要求。目前三维数据的生产主要是以航空摄影测量技术、LiDAR数字摄影测量技术、倾斜摄影测量技术为主，这几种技术在生产效率以及经济效益方面都有其优势和局限性，本文将对上述技术进行介绍并对其优缺点进行比较。

二、基于LiDAR的三维建模技术

1.LiDAR航空摄影测量技术生产工艺

LiDAR大致分为机载和地面两大类，其中机载激光雷达是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以量测地面物体的三维坐标。机载LiDAR是一种主动式对地观测系统，它集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU)/DGPS差分定位技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。机载LiDAR传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。机载LiDAR数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面模型(DTM)、等高线图。可以根据建模的目的对激光点云数据进行分类，提取建筑物点云数据，进而对建筑物点云进行编辑、规则化、修正等一系列处理步骤，从中提取出精细的建筑物模型［1］。

2.三维建筑物模型数据生产

采用LiDAR航空摄影测量技术提取建筑物的三维模型主要需进行如下工作:

(1)激光点云数据分类

结合影像对激光点云文件分类，主要工作是对激光点云数据进行分类，排除飞点和柱状地物点，提取地面点数据。

(2)三维模型建立

1)LAS点云数据与建筑物特征矢量数据融合［2］:LAS点云数据与建筑物特征矢量数据的融合主要是将立体采集的特征线和LiDAR点云数据进行叠加，用采集的建筑物边线代替激光点云构成的不规则建筑物边线，使建筑物边缘整齐一致。

2)建筑物边缘修整:由于LiDAR点在房屋边缘不整齐(如图1所示)，大多呈现锯齿状，必须予以修整，还原建筑物边缘光滑整齐的形状(如图2所示)。

图1 修整前的建筑物边缘

图2 自动生成的建筑物粗模

(3)纹理数据获取

LiDAR航空摄影测量的技术手段可以快速高效地获取高精度的建筑物的三维结构，但无法获取建筑物的纹理，因此，其纹理的获取需要通过传统航空摄影测量或倾斜摄影测量来自动提取，或采用人机交互式获取建筑物纹理。在实际生产中通常采用两者相结合的方式来进行。

①LiDAR结合传统航空摄影测量技术获取纹理数据

通过对LiDAR系统采集到的LAS文件进行处理，可以得到精细的三维模型，配合摄影系统来完成纹理数据的采集和处理，将新型的LiDAR点云数据处理技术和传统的航空摄影测量数据处理技术相结合，优势互补，共同完成三维模型的精细加工。

a.LiDAR点云生成三维模型(裸模，如图3所示)。

b.利用外业控制数据和航空影像数据完成空中三角测量。

c.结合LiDAR点云生成的三维模型和航空影像及其空三成果，自动从航空影像中提取建筑物纹理数据，生成三维模型。

图3 自动提取的建筑物裸模

②LiDAR结合倾斜摄影测量技术［3］获取纹理数据

LiDAR技术与倾斜摄影技术相结合可以同时采集地面点云和倾斜影像数据，利用LiDAR点云分离获取建筑物模型［4-6］，利用倾斜摄影测量传感器获取建筑物顶面及侧面纹理，自动生成建筑物三维模型。

a.LiDAR点云生成三维模型(裸模)。

b.将倾斜摄影数据进行空三加密，生成与Li-DAR数据可套合的加密成果。

c.叠加从LiDAR处理步骤中得到的三维模型轮廓数据(如图4所示)。自动提取建筑物顶部和侧面纹理并建立模型(如图5所示)。

3.LiDAR航空摄影测量的技术特点

LiDAR航空摄影测量的技术特点如下:

1)LiDAR结合传统航空摄影测量技术可以全自动获取精准的建筑物三维结构，并自动提取建筑物顶部纹理。

2)LiDAR结合倾斜摄影测量技术在粗模区可全自动完成区块的建筑物模型及纹理获取工作。

3)LiDAR航空摄影测量对于批量获取粗模区建筑物模型自动化程度高，生产效率高;但对于精模区仍需人工建模和纹理获取。

4)由于LiDAR技术无法直接获取建筑物的纹理信息，需要采用航空摄影测量技术或倾斜摄影测量技术获取建筑物纹理信息，其经济成本相对增高。

图4 三维模型轮廓数据

图5 自动提取建筑物纹理生成的模型

三、基于航空影像的三维建模技术

1.航空摄影测量技术生产工艺

航空摄影技术结合三维模型制作软件进行三维数字城市的数据生产。该方法一般以大比例航空影像或者卫星影像为基础数据源，利用人工特征采集技术需要建筑物顶面矢量特征，将顶面矢量垂直投影至DEM表面，建立三维模型，而顶面纹理利用摄影测量技术的共线方程原理提取，从而完成建筑物的批量自动建模。

利用航空摄影测量技术进行三维景观数据的生产主要包括两个步骤，即包含数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)和数字线划图(DLG)在内的基础数据生产以及三维建筑物模型数据生产两部分内容［7］。

2.三维建筑物模型数据生产

三维建筑物模型数据生产是在基础数据生产已经完成的前提下进行的，其主要操作步骤如下。

1)矢量采集:利用全数字摄影测量系统，在立体环境下采集建筑物几何特征信息(如图6所示)。

图6 建筑物边线提取

2)三维模型生成:利用专业三维建筑物制作软件自动生成建筑物三维模型(如图7所示)。

图7 自动生成的建筑物模型

3)纹理贴图:纹理贴图包括顶部纹理贴图和侧面纹理贴图，其中顶部纹理贴图使用的真正射影像已经消除了建筑物投影差，使得矢量信息与影像信息能够完美叠加，由此可以对影像顶部纹理信息进行准确裁切，并自动提取，附着在建筑物三维模型数据上;侧面纹理贴图目前主要通过外业采集建筑物侧面纹理或者从影像中提取。

3.航空摄影测量的技术特点

航空摄影测量的技术特点如下:

1)在已有大比例尺航空影像或卫星影像的情况下，可以节约基础影像数据获取的经费。

2)对于粗模区域，可以完成建筑物顶部纹理的自动提取并在建筑物特征采集成果基础上进行批量建模。对精模区，因无法提取建筑物的侧面纹理，侧面纹理需要使用数码相机采用人工的方式获取、处理及粘贴。

3)技术成熟，工艺流程严谨，可控性强，风险低，人工作业量大。

四、结束语

三维数字城市建设的作业范围往往会涉及精模加工以及粗模加工两部分，因此在实际作业过程中可以结合多种作业方案，根据经济性、时间性以及使用性等要求选择最有利的数据生产方案，在保证建筑物的几何精度以及美观的同时，提高作业效率，减少人工作业工作量，达到统筹兼备、粗细结合、优质高效的目的。

［1］ 尚青波.激光LiDAR数据在三维城市模型中的应用［J］.科技情报开发与经济，2010(17):14-16.

［2］ 邓非，徐国杰，冯晨，等.LiDAR数据与航空影像结合的建筑物重建［J］.测绘信息与工程，2010，35(1): 35-37.

［3］ 王伟，黄雯雯，镇姣.Pictometry倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用［J］.测绘与空间信息，2011(3): 12-14.

［4］ 熊汉江，江宇，黄先锋，等.基于机载LiDAR的多面片建筑物 3维重建方法研究［J］.地理信息世界，2010(1):21-23.

［5］ 崔建军，隋立春.基于边缘检测算法的LiDAR数据建筑物提取［J］.测绘科学技术学报，2008，25(2): 98-100.

［6］ 杨洋，张永生.基于 LiDAR数据的建筑物轮廓提取［J］.测绘科学，2010，35(3):203-205.

［7］ 张建清，张祖勋，徐芳，等.城区大比例尺影像三维景观重建［J］.武汉科技大学学报，1998，23(4): 355-358.

Discussion on Three-dimensional Modeling Based on LiDAR Data and Aerial Images

FENG Mei

0494-0911(2011)12-0012-03

P23

B

2011-11-04

冯 梅(1964—)，女，河南济源人，高级工程师，主要从事航测与遥感、数字城市建设等方面的研究工作。