浅谈Lidar技术及倾斜摄影技术在数字实景城市模型中的应用

     浅谈Lidar技术及倾斜摄影技术在数字实景城市模型中的应用          摘要：倾斜摄影技术是近几年来国际测绘领域发展起来的一项新技术，相比于传统航空摄影获得的垂直拍摄影像，它可以从多个角度获得地物影像，以及常规摄影无法得到的地物立面的纹理信息和几何信息。而经过多年的发展，激光雷达技术已经非常成熟地应用于数字城市建模中。本文研究利用机载倾斜摄影数据和激光雷达数据结合的方式进行数字实景城市的建模，通过在广州的实验与应用明，这种方式高效、精度高，具有非常好的应用前景。关键词：倾斜摄影；激光雷达；数字城市随着社会信息化建设和“数字城市”、广州“智慧城市”建设的推进，社会对城市和地表信息的获取和处理提出了更迫切的需求。传统的平面数字地图或者简单的三维城市地图都已经无法满足人们的需求，人们迫切需要更加逼真、精确的数字实景城市。传统三维城市建模，其数据获取阶段主要是工搜集各种地形图、高程数据、正射影像，而传统航空摄影测量得到的影像主要还是垂直下视的信息，缺失了高大山区地表、山水风景区、城镇高大建筑物、大型工矿设施的侧面立面信息，所以建筑物的侧面纹理则主要是通过人工补拍纹理得到，建模工具一般采用3dMax或AutoCAD。这种传统方法虽然工艺简单灵活，但人工工作强度大、效率低、精度不高，很难满足数字城市建设的需求。随着空间信息获取与处理技术的进步，越来越多的新技术应用到构建实景城市模型中。近一二十年来，Lidar技术和倾斜摄影技术逐渐发展起来，并成功地应用到构建实景城市模型中。其中Lidar技术由于能够快速获取大量密集的、高程坐标精确的三维点云数据，其在数字城市建设中的应用十分成熟。但是Lidar技术缺乏纹理信息，大量建筑物的立面信息依然需要大量的人力补拍，这在一定程度上影响了生产效率。倾斜摄影技术是在最近几年兴起的。在2008年第21届国际摄影测量与遥感大会和2011年第53届德国摄影测量周，倾斜摄影技术都是大会讨论的关键议，引起广大学者的浓厚兴趣。倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影响，获取地面更为完成准确的信息。相比于传统航空摄影技术，倾斜摄影技术能更加全面地获得地面信息，更加符合人眼的视觉特征。国内外目前已经有多套成熟的倾斜摄影处理系统。如美国Pictometry公司推出的Pictometry倾斜影像处理软件能够较好地实现倾斜影像的定位量测、轮廓提取、纹理聚类等处理功能；法国Infoterra公司的像素工厂（PixelFactory）作为新一代遥感影像自动化处理系统，StreetFactory子系统可以对倾斜影像进行景区的三维重建和快速的并行处理。目前，国内外单独对Lidar技术和倾斜摄影的应用研究都比较透彻，但是它们的结合应用却研究较少。本文详细介绍了综合应用Lidar技术和倾斜摄影于实景城市模型构建中。1广州数字实景城市建模技术1.1广州总体技术对于数字实景城市建模，所面临的关键问题在于三维模型制作和模型真实纹理制作。Lidar技术的优势在于快速高效地获得大量密集地面三维点云，构建地表的密集三维模型。而倾斜摄影技术能够获得地表建筑景观的多视角纹理，可以非常方便地制作三维模型的真实纹理。因此，结合Lidar技术技术和倾斜摄影技术是高效、高精度制作三维实景城市模型的关键。其总体技术路线如图1所示。图1广州总体技术主要技术流程如下：1）进行机载Lidar技术航测与机载倾斜影像采集，获取Lidar技术点云数据与倾斜影像。2）对Lidar技术点云进行分类，分离出其中的建筑物、树木、道路等地物类型，构建地物的三维模型。3）结合Lidar技术点云与倾斜摄影中的正拍影像，制作DOM。4）利用倾斜影像、地面采集影像、地物三维模型，分别构建建筑物贴图模型、沿街要素模型和树木模型。其详细技术原理如下。1.2广州点云数据分类根据实景城市模型的要求，需要获取广州DEM，并需要构建建筑物、市政设施、树木等地物的三维模型，因此，首先需要对Lidar技术点云数据进行分类，其流程如图2所示。本文采用逐级分类方法，先通过预处理进行粗差剔除，接着进行一级分类（滤波），将点云数据分类为地面点与非地面点。利用地面点构建数字高程模型DEM。而对于非地面点，则进行进一步细分，分离出植被、建筑物、电力设施等。图2广州点云分类流程1.3广州DEM生成地面高程模型DEM仅需要地表裸露点，由完地块的地表裸露点的三维数据构成地面数字高程模型广州DEM。经过点云分类处理提出非地表点并归类后，所有剩下的点都是地面点，经过点云内插，便可以生成高精度的DEM，如图3所示。图3广州DEM生成墙、大型附属物等。1.4广州地物模型构建根据点云分类结果构建不同的模型。模型分为以下4类：1）倾斜模型，主要包括小区、居民区的主体。2）精细模型，主要包括市政、主要的商业公共建筑。对于倾斜模型和精细模型的三维构建，根据点云分类的结果，分别进行有人工干预的模型构建。对于建筑物、市政设施、商业公共建筑，构建三维白模，如图4所示，构建建筑物三维模型。构建完模型之后，结合倾斜摄影影像以及地面采集影像，进行建筑物的纹理贴图，如此可以获得建筑物的实景三维模型，如图5所示。图5广州建筑物实景模型3）要素模型，主要包括城市景观标志、桥梁设施、公交车站、主要街道沿路道路指示牌、路灯、垃圾桶、井盖。对一些形状相同的模型，如路灯、垃圾桶、井盖，采集典型样本制作简单模型，并按照其实际位置摆放。对于城市景观标志、桥梁设施、公交车站等重点模型，需要进行实地的数据采集，并摆放在其实际位置。4）树木模型，需要区别树种。对城市主要树木进行归类，采集典型树木样本，每种树木制作精细模型、简单模型两种模型，并按照植被分布区域进行摆放。1.5广州DOM生成高精度DOM的生成主要包括以下几个步骤（如图6所示）。图6广州DOM制作技术流程1）结合广州DEM广州数据、倾斜摄影的正拍影像、POS数据、影像内参数，对垂直视图像进行正射纠正。结合地面控制点，对经过正射纠正后的图像进行拼接，在拼接的过程中，拼接线应避开阴影区、居民区，尽量从道路、河流中穿过，使拼接结果过渡自然。2）利用倾斜摄影系统所获取的垂直视图像。在摄影过程中，由于辐射水平的差异，导致同一张图像内部的色调不均匀，相邻图像之间同名地物的亮度值不一致，这时需要对图像进行匀光匀色处理，这样可以保证镶嵌之后的图像色调过渡自然、反差适中，没有明显的拼接线。然后进行影像图幅裁切，便可以得到数字正射影像图。图7为制作的数字正射影像。图7广州数字正射影像DOM1.6广州倾斜影像贴图倾斜影像是具有地理信息的影像，倾斜影像坐标转换到与建筑物三维模型一致的空间坐标后，针对模型数据快速匹配出最佳倾斜纹理，作为建筑物纹理进行贴图。由于城市中的建筑物相互遮挡，导致建筑物底部或高度较低的建筑无法找到合适的纹理，这时采用人工补拍的方式。将完成贴图之后的建筑物、市政设施、树木植被的三维模型，根据其地理坐标与DOM结合，便可以得到三维实景城市模型。2广州应用实例2.1广州数据处理根据如前所述内容介绍，数据处理一般包含以下几个步骤：1）数据预处理，数据预处理包括激光雷达数据去噪，对相关数据进行转换等。2）激光雷达数据处理，在对激光雷达数据去噪完成之后，对三维点云进行分类处理，将地表以外的信息分离生成DEM。对垂直视角图像进行拼接、正射校正，与DEM结合，生成地表正射影像。3）模型真实纹理粘贴，对倾斜影像进行空三定位处理，快速恢复影像姿态，针对模型数据快速匹配出最佳倾斜纹理，将倾斜纹理与DOM结合，便可最终构建出数字实景城市。4）采用以上处理方法所建立的实景城市模型，所有的模型均具有测量级精度，建筑物水平、高程精度满足广州1∶1000广州基础测绘产品精度。比较传统建模技术而言，大大提高了工作效率，保证了数据的实效性。图8是广州项目所构建的实景城市模型。图8广州广州三维实景城市模型2.2广州数字实景城市的特点及其应用数字实景城市的最大特点是真实直观、精度高，可达到量测级精度。基于三维实景城市数据，并且结合其他种类的空间地理数据和属性数据，可以在任何与之相关，如规划、交通、市政、消防、反恐等城市各个行业中展开应用，如图9所示。其中，建筑模型可量测精度优于30cm。（a）空间信息量取（距离量取）（b）三维规划（旧城区改造）图9广州三维实景城市模型应用参考文献[1]潘建平.三维建模技术在数字城市中的应用.科技资讯.2010.7[2]余洁.杨海全.LiDAR广州数据的过滤方法探讨.地理空间信息.2016.7[3]尤红建.苏林.机载激光扫描测高数据滤波.测绘科学，2004，29(6)：50-53.[4]马燕.机载激光的应用与发展.科教文汇，2006.9[5]王伟.倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用.测绘与空间地理信息.2011.3[6]龚亮.机载广州Lidar技术广州点云数据分类技术研究.信息工程大学，2011.4 -全文完-