基于“倾斜+LiDAR+车载”的实景三维建模实现

摘 要: 基于实现智慧城市建筑三维模型真实化、单体化、可量测化的目的，采用“倾斜摄影+机载 LiDAＲ+车载信息采集”获取建筑物三维模型体和纹理影像的方法，以统一的数学基准对不同数据源进行数据处理，并利用相关匹配技术进行模型与纹理的自动配准，得出利用倾斜摄影技术、激光测量技术以及车载信息采集技术，能够快速实现城市实景三维建模。

关键词: 倾斜航空影像; 机载 LiDAＲ; 车载信息采集系统; 影像匹配; 实景三维模型

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引 言

当今城市的发展正在从数字城市向智慧城市迈进，而智慧城市建设正从以前模拟的三维城市模型向真实的三维城市模型转变，智慧城市的“智慧”体现在三维场景中，要求三维场景的建筑、道路、水系等具有真实性、可量测性，使人们能够真实地感知城市、分析城市，基于这种真实城市模型提升生活方式，提高城市规划、建设、管理的智慧服务水平［1］。近几年，随着计算机技术和遥感影像获取技术的发展，基于机载倾斜摄影技术的实景三维建模技术应运而生，该技术具有获取数据真实、精度高、速度快的特点和优势，可以真实映射我们所处的世界三维环境，因此，与此相关的建模技术得到很大发展。

1. 1 实景三维城市模型概念

实景三维城市模型是指采用计算机技术，以城市地理空间框架为基准，融合影像技术、计算机视觉技术、三维模型技术等，真实地还原城市建筑、道路、绿地、山地等城市基本要素单元，模拟出一个真实场景，该场景中各类城市单元如房屋、道路等具有准确的空间地理坐标，建筑物具有真实三维模型和纹理信息。

1. 2 实景三维建模的现状

国外在上世纪 90 年代就开始了对倾斜摄影测量的研究，美国 Pictometry 公司是世界上最早研究倾斜摄影测量的公司，Pictometry 公司的倾斜摄影系统已经在北美、欧洲进行了大范围应用，随后 Google Earth、Leica、微软公司也研究了倾斜影像系统［2］。国内刘先林院士研发了 SWDC 系列倾斜摄影系统、中国飞思研发了 AMC580 倾斜摄影系统，这些倾斜摄影系统的产生为实景三维建模创造了条件。目前，国内外主要实景建模技术如下:国外以法国 Astrium 的街景工厂( Street Factory) 、美国 Intergraph 的 Smart 3D 为代表的利用倾斜摄影技术进行实景三维建模，其特点对区域整体实景建模，建模效率高、自动化程度高，但精细化差、无法实现建筑物单体化。

国内华正空间( 武汉) 软件技术有限公司、武汉天际航软件技术有限公司等为代表采用机载 LiDAＲ 和倾斜摄影技术进行实景三维建模，其特点实现建筑物单体化，模型相对精细，效率较低。

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 数据源分析

2. 1 LiDAＲ 数据源分析

机载 LiDAＲ 系统是以飞机作为激光测量平台，采用激光扫测系统进行测量，直接向地面、地表发射激光进行测量，实时获取地表地物的点云数据，从而获得地表三维空间信息。它整合了激光测距仪( Laser) 、高精度惯性测量装置( IMU) 和全球卫星定位系统( GPS) 三个高新技术，是计算机技术、激光技术、定位定向技术和实时、动态的高精度动态 GPS 技术迅速发展的综合体现［3］。通过 LiDAＲ 获取的点云数据具有高精度的地表信息和建筑物外轮廓特征，利用点云生成的数字高程模型( DEM) 、数字表面模型( DSM) 构建实景三维城市的地表场景，也能利用建筑物的点云数据快速构建建筑物的三维模型体，点云数据如图 1 所示。

图1 点云数据

2. 2 倾斜影像数据源分析

倾斜摄影技术是国内最近几年发展起来的一项高新技术，改变了传统航空摄影只有一个下视角摄影仪的特点，采用在同一飞行平台上搭载多台摄影相机，在航摄过程中同时间获取下视角，前后、左右 4 个倾斜视角 5 个不同的角度地面影像信息。倾斜摄影能够获取同一建筑物的顶部、四周侧面影像信息，这些影像信息能够为实景三维城市建模提供真实的纹理，倾斜影像如图 2 所示。

图2 倾斜影像示意图

2. 3 车载移动地面影像和点云数据源分析

车载信息采集系统是通过在一辆采集车顶安装影像采集设备和激光采集设备，同时配备 GPS 和 IMU 导航定位系统，在车辆快速行进过程中，能够快速采集沿途道路周边的影像和点云数据，能够快速提取感兴趣的建筑物影像以及道路、路灯、树木、广告牌、交通设施等地理信息数据的综合性地面移动采集系统［5］。车载移动测量系统能够获取近地面的地物要素的影像和点云数据，是倾斜摄影获取的影像和机载 LiDAＲ 获取的点云数据的补充，能够应用与实景三维建模中补充建筑物底部的细节信息，车载获取近地面影像如图 3 所示。

图3 车载获取近地面影像

3 实景三维城市建模的思路

实景三维城市建模的思路: 以机载 LiDAＲ 测量、倾斜摄影测量、车载移动测量系统获取实景三维城市建模所需的数据源为基础，利用机载 LiDAＲ 点云数据进行高精度三维模型体制作，采用机载多角度倾斜摄影测量数据进行实景三维城市模型的建筑物纹理的自动生成，采用通过街景技术、实景三维影像生成技术以及计算机的高精度匹配技术实现空地一体实景三维城市精细建模的方式，实景三维城市建模的思路如图 4 所示。

图 4 实景三维城市建模的思路

4 “倾斜+LiDAＲ+车载”建模的实现

以获取的倾斜影像、激光点云以及车载影像和点云数据为基础，进行实景三维城市建模，主要工作包括对倾斜影像、激光点云以及车载数据空三加密处理，利用LiDAＲ 点云数据制作 DEM、DSM 和建筑物三维模型体制作，倾斜影像与三维模型体的自动匹配以及利用车载数据对近地面建筑物三维模型和纹理的精细化处理。

4. 1 数据源的空三加密处理

为保证处理楼的倾斜影像、LiDAＲ 点云以及车载数据能够自动配准，采用统一的空间基准，即统一的平面坐标系统和高程基准，进行数据获取时的基站点架设、像控点测量、检校场布设，并充分利用机载、车载的 POS数据对倾斜影像、激光点云以及车载的影像和点云进行空三加密处理，使各类数据具有真实的三维坐标信息。

4. 2 利用 LiDAＲ 进行三维模型体制作

( 1) 提取建筑物点云数据

将获取的机载 LiDAＲ 点云数据经预处理和分类后，提取建筑物的点云数据［6］，如图 5 所示。

图5 建筑物点云

( 2) 提取建筑物矢量数据

从已有的 1 ∶ 500 数字线划图上提取建筑物的房屋面数据，如图 6 所示。

图6 建筑物矢量数据

( 3) 以建筑物矢量数据为基础，结合点云数据拉伸建筑物高度，勾画建筑细节、进行建筑物三维模型的制作，制作的建筑物模型体如图 7 所示。

图7 建筑物三维模型体

4. 3 利用倾斜影像实现模型体的纹理融合

根据已经建立好的三维模型体具有三维坐标信息，与经过空三加密处理后每张倾斜影像上的像点坐标具有的三维坐标信息进行配准，将纠正后多角度影像纹理与模型数据进行三维模型配准［7］，并自动提取附着在建筑物三维模型数据上，实现模型与纹理的自动映射，完成实景三维建筑物模型的制作［8］。

( 1) 纹理影像选择与提取

倾斜摄影获取建筑物的同一纹理有很多，在为三维模型体选择匹配纹理时，为保证模型的外观质量，需从很多的相片中选择清晰、高质量影像，通过计算每一纹理在相同图幅大小相片中所占面积的大小，选择纹理面积占比最大的影像作为纹理映射数据源，因为面积越大，表明相机距离映射的建筑物越近，影像质量越好［9］。

( 2) 纹理范围的确定和裁切

根据模型需要映射的范围大小确定数据源影像上纹理区域的范围，根据确定的纹理裁切范围，进行影像裁切，生成贴图文件。

( 3) 纹理与模型配准

将具有统一空间基准的三维模型体上的每个顶点与待贴的纹理的影像坐标进行配准［10］，实现三维模型体顶点与纹理坐标的像点单元一一对应，根据顶点之间的纹理坐标，进行插值调匀，完成三维模型体的自动贴图，从许多影像中选择纹理进行三维模型体贴图，如图 8 所示。

图8 影像中选择纹理贴图

( 4) 三维模型体与倾斜影像融合的效果，如图 9所示。

图9 融合效果图

4. 4 利用街景数据进行实景三维城市模型的底部完善利用车载信息采集系统自带的软件对获取的道路两侧的影像和点云完成定位定向，统一到实景三维城市建模的空间基准中，对道路两边的建筑物的三维模型和纹理进一步优化处理，并与实景三维场景数据进行融合［11］，生成道路两侧精细化的实景三维模型数据，如图 10 所示。

图10 精细化的实景三维模型

5 问题及处理

大连地形是低山丘陵，地势南低北高、三面环海，城市的建筑往往依山傍海而建，形成建筑的主体底部一部分在地面上、一部分在地面下的“半地下”特色建筑，其实景三维建模不同一般城市建模方式，即模型与 DEM、DOM 三者的简单套合，而是需要考虑这种“半地下”建筑如何与场景充分的融合，既不要出现模型与场景套合悬空、漏缝的现象，又要体现“半地下”建筑的特征。

经反复研究、测试，因为建筑周边实际地形、地势不可能很规则，而是存在凸凹不平、高低不一的现象，按照每一立面高度进行建模，很难做到模型底部与场景完全套合，就出现模型和场景漏缝现象。因此，采用最高立面整体建模的思路，可以解决这种“半地下”建筑实景三维建模，其处理过程如下:

( 1) 以建筑全部露出地面的一侧立面( 房高最高一侧) 为基准面，其他建筑立面按照最高侧面构建模型体，进行整个建筑实景三维建模，如图 11 所示，将建筑原本被埋在地下的部分也进行建模;

图11 半地下全部显示的三维模型

( 2) DEM 的精细化处理，将房屋抠除，利用周边地形的坡度将该处 DEM 拟合为类似“斜坡”DEM，如图12 所示;

图 12 类似“斜坡”DEM

( 3) 房屋模型与 DEM、DOM 的套合，将房屋模型根据空间坐标插入到 DEM 与 DOM 拟合三维实景场景中，实现三维模型的部分在地面下、部分在地面上的效果，整体效果如图 13 所示。

图13 半地下建筑三维模型场景

6 结 论

通过本次试验可以发现: 实景三维建模技术主要涉及数据获取技术、三维模型体建立技术以及模型与影像纹理的融合技术，利用多角度倾斜摄影系统、机载激光扫描系统、车载移动采集系统获取建模数据，能够实现实景三维城市建模，结论如下:

( 1) 采用统一的空间基准，保证各类数据的融合以及自动建模。基于统一的空间基准以及坐标系统，使 LiDAＲ 三维模型数据和倾斜摄影以及车载移动获取的数据都具有真实的三维坐标，通过计算机的自动匹配技术，将影像的纹理自动映射到三维模型上，实现实景三维建模的自动配准。

( 2) 充分利用已有的建筑物矢量面数据，提高了

生成建筑物三维模型体的效率。

( 3) 与车载移动测量数据的融合，能够提高模型

的纹理质量。

文章转载于城市勘测

作者：郭林凯

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