基于Lidar数据和倾斜摄影的城市三维模型构建

牛建国

（河北省第二测绘院，石家庄050000）

1 传统空间信息获取技术与Lidar数据、倾斜摄影

1.1 传统空间信息获取技术

构建城市三维模型离不开大量数据支持，因此，空间信息获取技术决定了城市三维建模的发展。传统的空间信息获取技术主要有传统测量方法、二维矢量图、航空摄影技术、三维激光扫描4种：（1）全站仪、RTK技术等均属于传统的测量方法，将利用这些测量方法获取的城市基础数据导入三维建模软件后，可完成城市模型的构建工作。（2）二维矢量图可对城市已有地形图、城市规划图进行扫描，然后依据高度辅助数据建立建筑模型。通常而言，房屋的高度可通过层高推算。这一信息获取技术仅适用于建模精度要求不高的情况。（3）航空摄影技术是借助航空摄影技术获取城市航空影像，再通过一定的数据处理过程为城市三维模型的构建提供依据。（4）三维激光扫描方式可以快速获取地面大面积的三维点云，将这些城市数据导入三维建模软件中，可更方便快捷地构建三维模型。

1.2 Lidar数据与倾斜摄影

Lidar系统以飞行器为载体，是一种新型对地观测技术，主要通过扫描地球表面获取地球表面的信息与数据。较之传统空间信息获取技术，Lidar系统获取的激光点云数据精度与密度更高[1]。借助激光测距技术、动态GLASS定位技术与惯性测量技术，Lidar系统可通过对系统的同步控制推动数据同步处理的实现，进而还完成定位流程。

倾斜摄影测量技术可在同一时间从正下、前、后、左、右不同方向与地面构成一定角度后获取地面影像数据，因此，其属于一种多角度观测的摄影测量技术。倾斜摄影技术不仅可获取被摄区域的正射影像，还可获取被摄区域的倾斜影像，还可记录拍摄点位的位置信息，以此在后期数据处理中实现影像的空间定位。但是，倾斜摄影无法将某些建筑物模型单独分离，因而无法满足对单个建筑物进行分析管理的需求。相较于Lidar技术获得的高精度三维点位坐标，倾斜摄影测量技术获得的数据精度较低，无法为构建城市三维模型提供数字高程模型。

2 城市三维模型构建技术

在三维模型构建和真实纹理制作方面，Lidar数据具有可以快速高效获得大量密集地面三维点云的优势，因而其在地表密集三维模型构建中具有广泛的应用。倾斜摄影则可通过获得地表建筑景观的多视角纹理更方便地制作三维模型的真实纹理。具体过程为：（1）利用机载Lidar采集点云数据，借助倾斜摄影技术采集原始建筑数据；（2）对Lidar点云数据进行初步处理与分类，甄选其中的建筑物、桥梁、树木、道路等地物类型，初步构建起地物的三维模型；（3）在Lidar点云数据与倾斜摄影获得建筑影像相结合的基础上制作DOM（数字正射影像图）；（4）利用倾斜影像与地物三维模型构建起建筑物贴图模型、沿街要素模型与树木模型。

3 DEM（数字高程模型）与DOM的生成

3.1 原始数据获取及预处理

根据摄区范围，需要采用Aroute设计软件在充分考虑航带长度、太阳角、光线强度和地面高程变化等因素的前提下进行航线设计。正式飞行前，应仔细检查所有设备的安装与参数设置，补摄与重摄均应按照原设计航迹进行，且补摄航线的长度需满足用户区域网对空三加密的要求。飞行结束后，应及时下载飞行记录数据与影像数据，然后进行辐射纠正与匀色处理。

3.2 空三加密

计算区域网的联合平差，首先，需将输出工程区像片的初试外方位元素引入像控点大地坐标，然后将IMU/DGPS辅助航空摄影得到的6个外方位元素作为带权观测值参与平差计算中，这一过程中需应用加密成果进行定向。空三加密系统除可自动进行空三区域内的点匹配，还可利用点匹配的结果与初始外方位元素进行区域网平差。

3.3 点云分类

为了将飞机航行时的飞行姿态与扫描位置等空间位置信息一一还原，需利用IPAS PRO软件将空中原始数据解压，并在GrafNav软件中对空中和地面基站GPS数据进行插分融合处理。激光原始数据的处理主要应用ALS Post Processing软件，WGS84坐标与项目所在的UTM坐标带可确保激光点云数据获得地理坐标，并实现噪声点的处理。人工去除噪点后即可形成DSM，通过宏定义的建立来完成植被初分类工作。

Terrascan与Terramodel软件可自动完成去除点云噪声与地面点分类工作，此后再经过少量人工编辑即可将处理不正确的数据编辑到正确的数据层。在完成上述一系列数据处理工序后，即可获得更为高效、精确的地面数据，植被覆盖区域DEM的精度由此可得到保证。利用GPR和DEM数据对影像进行纠正，以此获取正射影像。

4 三维模型构建

4.1 地面建模

作为整个城市三维模型的底层，地形模型起到重要的支撑作用，其他三维模型均需放置在地形模型之上。地形模型的精度对城市空间分析有直接的影响，同时可避免与建筑物模型交错。在Lidar数据和倾斜摄影的基础上完成的地形三维建模，对原始点云滤波后只剩地面点，剔除建筑物与植被点后会形成数据孔洞，此时需对滤波后的点云进行数据内插。为增加地形精度并为日后的编辑工作提供便利，应才用距离权重法将地面点内插成1m×1m的规则格网。在实际生产中，还需按照一定的图廓划分DOM和规则格网，将其划分在同一个图廓归属为一个对象，即对象化地形模型以实现对地形模型的有效管理[2]。

4.2 建筑物建模

作为城市三维模型的主要元素，进行建筑物建模时，应充分考虑后期的模型编辑与更新。因此，应将建筑物模型制作为单体线框模型，与地面模型一样采用面向对象的形式进行管理。如前文所述，Lidar数据技术中的点云拥有高精度坐标，但描述建筑物的轮廓能力十分有限，因此，还需根据倾斜摄影获取的建筑影像勾勒建筑物的轮廓。

对于高层建筑，根据影像勾勒出的建筑物轮廓往往会因投影差而与实际坐标产生细微的差别，因此，需将轮廓移动至点云边界。单独依靠建筑物轮廓信息无法建模，因此，高程和建筑物的高度信息必不可少。对此，可充分利用机载Lidar技术获取建筑物顶面以及侧面和地面点的点云数据。

5 结语

综上所述，机载Lidar与倾斜摄影相结合的城市实景三维建模方法具有精度高、成本低、增强模型真实感的优势。但在实际应用中，勾勒建筑物轮廓及确定建筑物高度时手动操作较多，因而工作效率较为低下。针对这一问题，域内专家学者应进一步深入研究建筑物轮廓线的自动提取。