基于LiDAR和倾斜摄影测量技术的实景三维自动化建模方法

杨明军 康冰锋 韩丹

摘 要：本文根据国内外现有激光雷达扫描技术和倾斜摄影技术，通过先进设备引进和技术研发，提出了基于LiDAR点云数据的建筑物白模制作自动化、基于SWDC-5倾斜影像空三加密快速化和建筑物纹理贴图自动化的技术路线，实现了大规模快速、高效、精确的实景三维建模生产。

关键词：机载激光点云 倾斜摄影 白模制作自动化 纹理贴图自动化 实景三维建模

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0093-04

Abstract：Based on the technologies of Airborne laser-scanning and oblique photogrammetry， with the import of advanced equipment and technology research， this paper puts forward a new technical route of building white model automatically based on LiDAR point cloud data， implementing aerial triangulation quickly based on SWDC-5 images and mapping texture automatically. With this method，a large-scale， fast， efficient and accurate 3D modeling production is realized.

Key Words：Airborne laser point cloud； Oblique photogrammetry； Building white model automatically； Mapping texture automatically； Modeling of Real 3D

近年来，随着3S（GIS/RS/GPS）技术、虚拟现实、航空与航天技术以及互联网技术、计算机技术等的飞速发展，城市三维建模方法经历了从传统人工建模到新一代全自动数字测图的阶段，同时，数字城市、智慧城市的建设对城市三维建模在精度与时效性上提出越来越高的要求[1]。传统的建模方法存在数据采集效率低、生产成本高、建模周期长、建模精度不能保证等问题，无法满足智慧城市建设及当前各类市场应用的高质量快速建模需求。面对海量的城市地理信息数据，只有满足高度自动化建模，才能在短时间内提供可分析的城市模型，具有时效性，才能真正应用于智慧城市。而日益成熟的激光雷达扫描技术和倾斜摄影技术使得大范围快速、高效、精确的实景三维建模成为可能。

当前的实景三维建模技术主要包括以下几个方面。

（1）航空摄影/倾斜摄影结合立体采集方式的三维建模技术：这种方式通过对正视影像进行空三处理、建筑物三维矢量信息采集并建模、模型采用倾斜影像或纹理照片进行贴图的方式。这种方式建模精度高、细节丰富，模型单体化，便于后期编辑和管理，但自动化程度低、耗时长且费用昂贵，无法进行大范围的快速实景三维建模[2]。

（2）倾斜摄影自动化建模技术，其数据获取包括两种方式：使用多镜头倾斜相机采用定点同时曝光获取地物顶面、立面的纹理影像[3]；使用A3相机进行交叉飞行，两个镜头围绕中心轴作最大可达109°摆角的高速旋转和采集，一次飞行同时获取高分辨率的垂直和倾斜影像[4]。数据后处理使用自动建模软件，如Context Capture、PhotoScan、Pix4D等软件生成三维模型。这种建模方式结构和纹理信息真实，数据获取效率高，建模速度快，自动化程度高，但对软硬件设备要求较高，成果模型为Mesh，模型边角模糊，无法避免纹理遮盖现象，并且模型三角网面片复杂，数据量大，单体化能力差，不利于模型的管理和屬性加载。

（3）倾斜摄影结合激光雷达扫描的三维建模技术：根据激光雷达扫描的点云制作白模，结合空三后的倾斜影像数据进行贴图。这种方式点云数据获取不受天气影响、高程精度高、建模速度快、模型单体化且要素全面[5]，但自动化建模和贴图处理尚有改进空间。

为了更好地服务数字城市的建设和管理，快速实现大范围、高质量的实景三维建模，本文以倾斜摄影结合激光雷达扫描的三维建模技术为基础，综合利用激光雷达和倾斜摄影的技术优势，引进先进机载激光雷达扫描设备RIEGL LMS-Q1560和倾斜摄影设备SWDC-5Ap100，在国内外现有成熟技术的基础上，进行自动化建模关键技术的研究，最终形成基于激光雷达和倾斜摄影的城市三维自动化建模和贴图技术路线，实现三维模型的快速构建和自动贴图，并应用于华东某城市的数字城市建设中。

1 设备引进

1.1 RIEGL LMS-Q1560机载激光雷达扫描仪

RIEGL LMS-Q1560是世界激光扫描技术领军企业奥地利RIEGL公司（注：激光雷达设备选择指南）推出的最新型号的双通道机载激光雷达扫描系统。LMS-Q1560独创性的配备双激光头作业，两个通道间呈28°倾斜，通过非正下方前扫/后扫（倾斜角度约±8°）的方式，从不同角度获取地物的高精度数据，大大减少了复杂城区高大建筑物、山体等的遮挡，能够获取更多有效的点云数据。同时配合高达60°的大视场角，是市面上常见设备的1～2倍，数据获取效率更高。

LMS-Q1560采用大功率激光源，最高激光脉冲发射频率达800kHz，最大作业高度可达4700m。根据激光扫描设备误差分析理论，较高的作业高度和较大的发射频率会增加设备的测距不确定性[6]，RIEGL公司研发的多周期测量回波处理技术RiMTA有效的解决了这一问题，可同时处理空中10个以上脉冲信号，保证了设备在更高的高度上以更高的发射频率作业，提高了作业效率和飞行安全性[7]。

LMS-Q1560延续其LMS系列软件的优势，具备全波形数字化和波形分析技术，配合高达60°的大视场角，航线宽度是市场现有其他设备的1～2倍，可一次性获取大面积的激光点云数据及其全波形数据，并提供了更加丰富的目标信息，如脉冲时间、幅度、脉宽及多回波分布等全波形综合信息，为三维城市建模、地形测绘与可视化等方面提供了更广泛的应用[8]。

机载激光雷达扫描技术通过激光多回波获取信息，加上激光本身具有一定的穿透性，在植被覆盖的区域也能获取一定数量的地面反射激光点。LMS-Q1560采用全波形技术，特别是植被密集区域、建筑密集区域，利用机载LiDAR的多回波探测技术，可实现所见即所得，准确测量密集植被区域以及建筑侧面轮廓信息，使地形表达更加丰富、细腻。

1.2 SWDC-5A p100倾斜相机

SWDC-5A p100倾斜相机是由刘先林院士带队指导研究的SWDC系列数字航摄仪的最新升级型号，设备集成了1个长焦下视镜头和4个短焦倾斜镜头，倾斜安装角度范围为40°～45°。5个镜头均采用飞思1亿像素可调焦距镜头，地面分辨率高达4.6μm，保证了各镜头分辨率和影像质量一致；各镜头基于专业检校场的精密检校，同步时间精确到亚毫秒级，保证了数据处理的精度[9]。SWDC-5A采用Trimble AP50系列POS进行集成，设计灵活，外形轻巧，支持GPS/GLONASS/BeiDou三系统，彻底打消用户在特殊时段特殊飞行区域，卫星数量少的问题，这也极大地提高了后处理精度的稳定性。与其他倾斜摄影技术相比，具有高效率、高精度、高集成等特点，适合大范围的倾斜摄影作业。

2 倾斜摄影结合激光雷达扫描的自动三维建模技术

2.1 技术路线

要提高倾斜摄影结合激光雷达扫描的三维建模效率，实现生产工艺自动化，难点在于实现基于激光雷达扫描点云数据的自动建模、倾斜影像空三成果快速获取、模型自动贴图。技术流程图见图2。

2.2 基于激光雷达扫描点云数据的自动建模

激光点云数据在无植被遮挡区域一般为单回波数据，在植被遮挡区域为多回波数据，最后一次回波为地面和建筑数据。首先，将航飞获取的原始激光点云按照回波次数信息分类提取，设置阈值，根据不同回波间高差进行滤波分类，提取建筑区域[10]。其次，利用高程突变过滤方法和平面拟合过滤方法精确过滤分类出建筑物点云，同时可以利用回波强度信息和光谱信息对过滤的结果进行优化[11]。机载LiDAR点云数据经过滤波分类后，对提取出的建筑物点云数据根据建筑物类型进行区分建模。简单建筑物，如平顶屋顶、人字形屋顶、斜顶等规律性建筑通过模型驱动的方式进行屋顶点聚类、平面拟合、边界确定、建立模型，可普遍适用。普遍建筑物通过创建房屋标准样式的方式，建立能适用项目所在地区普遍样式的房屋库。首先由人工对当地房屋样式进行分类，创建其标准样式，存入房屋库。采用模型驱动和数据驱动相结合的方式对这类样式复杂但具有规律性的建筑进行自动三维建模[12]。对于超复杂建筑物，如核心商业圈则在前两种自动建模的基础上人工修改，根据激光点云数据结合下视、倾斜影像提高建模细节表现力。

2.3 倾斜影像空三成果快速获取

使用Bentley公司的Context Capture软件对SWDC-5Ap100倾斜相机获取的5镜头影像进行自动空三。Context Capture软件具有自动化程度高、像控少、精度高等特点[13]，其空三成果经过转换可得到高精度的5镜头影像的外方位元素。为提高自动空三解算精度，使用大飞机搭载SWDC-5A相机获取影像，POS使用组合导航后处理获得高精度定位定姿数据。为加快自动空三解算速度，对影像进行预处理，包括畸变校正和分辨率重采样，降低影像数据量，在保证精度的情况下，提高空三加密速度。同时，使用畸变校正后的影像，也利于后期的模型自动貼图。

2.4 纹理自动贴图

实现5镜头影像到模型的自动纹理映射，主要包含以下步骤：（1）成果转换：将Context Capture软件输出的5镜头影像空三成果进行转换，得到每张影像精确的外方位元素。（2）还原影像位置姿态：通过外方位元素还原每张影像的位置姿态，计算每张影像的覆盖范围（footprint）。（3）自动采集模型上每个面片角点的点云坐标，根据每张影像的覆盖范围搜索包含此面片的影像；根据航线设计，预设搜索范围，提高搜索效率。（4）优选纹理：根据定义的优选准则：最优倾斜角度值、最优距离、最优视角[14]等，将最优影像自动进行纹理映射，并按优先级提供备选影像。（5）人工检查：由于可能存在建筑物、树木遮挡等情况，需要人工检查，对存在遮挡的纹理使用备选影像进行替换。

3 应用案例

3.1 测区概况

根据以上研究成果，在华北某二线城市进行基于LiDAR和倾斜影像的实景三维建模生产。城市以平地为主，河流密布，建模范围为400km2的中心城区，商圈、高层建筑密集。

3.2 设计参数

点云设计参数：点云密度：≥4点/m2，发射频率350kHz，东西向飞行，旁向重叠度≥20%，相对航高1750m，航线间隔1550.27m。

倾斜影像设计参数：分辨率优于0.05m，航向重叠度为70%，旁向重叠度为40%，相对航高870m，航线间隔348.2m。

3.3 案例效果

（1）数据采集效率分析。

根据上述设计，整个测区点云数据的航飞采集时间为3h，共计1个架次；倾斜影像的航飞采集时间为8.6h，共计2个架次，数据采集效率是其他建模方式的数倍。

（2）模型精度分析。

使用153个检查点对机载LiDAR点云数据的精度进行检查，Mh=±0.108m，达到了1∶1000比例尺的精度要求。

建筑模型、地形全部采用机载LiDAR点云数据制作，模型平面精度相對于最近控制点的点位中误差不大于0.5m，模型基准面高程精度相对于最近控制点的点位中误差不大于0.3m。

（3）模型效果分析。

生产的数字成果的三维模型表面纹理信息全部采用其对应的实景影像，纹理细节丰富，个体化特征明显，具有高分辨率的纹理细节以及纹理的色彩均衡一致等方面的优势，保证了模型纹理清晰、真实，无拉花、扭曲的问题，且无重复纹理现象，更精确地还原了城市原有面貌。同时，生产的三维模型是单体化的，即地面单个物体的三维模型之间不黏连，可单独附属性和编辑，技术应用广泛，除了三维城市建设，还可用于农业、林业、电力、交通、国土、规划、地质、水利等多个行业，尤其在区域发展战略和智慧城市建设等大规模项目应用中，技术优势明显。

（4）建模效率分析。

项目投入20人进行三维建模、4个月完成400km2的生产，建模效率是当前主要建模技术的2～4倍，建模速度快、效率高、自动化强、人工干预较少。

4 结语

本文利用激光雷达和倾斜摄影的技术优势，基于国内外现有成熟技术，通过先进设备的引进和技术、软件研发，实现了建筑物白模制作、倾斜影像空三加密和建筑物纹理贴图自动化、快速化的工艺生产流程，模型产品精度高，纹理色彩具有一致性和真实性，模型要素全面，建筑物顶部细节丰富，能够真实反映城市原貌，不仅满足了当前市场日渐严苛的建模质量要求，还将建模效率提高至现有技术的1.5～2倍，使大规模三维建模应用成为可能，为应急测绘保障、地理国情监测和数字城市建设等重大测绘项目的应用提供了技术支撑。有效提高了数据生产和建模效率，大大节约了建模周期及投入。

参考文献

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