本文關(guān)鍵詞：LiDAR及傾斜攝影技術(shù)在數(shù)字實(shí)景城市模型中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第39卷第3期2014年6月

文章編號(hào)：2095-6045（2014）03-0043-04

測(cè)繪地理信息

JournalofGeomatics

Vol.39No.3June.2014文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

LiDAR及傾斜攝影技術(shù)在數(shù)字實(shí)景城市模型中的應(yīng)用

闞曉云1

孫景振2

（1咸寧市城鄉(xiāng)規(guī)劃局勘察測(cè)繪院,咸寧市雙鶴路28號(hào)，437100；2北京東方道邇信息技術(shù)股份有限公司，北京市海淀大街8號(hào)，100080）

ApplicationofLiDARandObliquePhotogrammetricTechnology

inDigitalRealCityModel

KANXiaoyun1

SUNJingzhen2

（1XianningUrbanBureanSurveyandMappingHospital，28ShuangheRoad，Xianning437100，China；

2BeijingEastdawnInformationTechnologyCo.，Ltd.，8HaidianStreet，Beijing100080，China）

摘要：傾斜攝影技術(shù)是近幾年來國際測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展起來

工搜集各種地形圖、高程數(shù)據(jù)、正射影像，而傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量得到的影像主要還是垂直下視的信息，缺失了高大山區(qū)地表、山水風(fēng)景區(qū)、城鎮(zhèn)高大建筑物、大型工礦設(shè)施的側(cè)面立面信息，所以建筑物的側(cè)面紋理則主要是通過人工補(bǔ)拍紋理得到，建模工具一般采用3dMax或AutoCAD。這種傳統(tǒng)方法雖然工藝簡單靈活，但人工工作強(qiáng)度大、效率低、精度不高，很難滿足數(shù)字城市建設(shè)的需求。

隨著空間信息獲取與處理技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到構(gòu)建實(shí)景城市模型中。近一二十年來，LiDAR和傾斜攝影技術(shù)逐漸發(fā)展起來，并成功地應(yīng)用到構(gòu)建實(shí)景城市模型中。其中，LiDAR由于能夠快速獲取大量密集的、高程坐標(biāo)精確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用十分成熟。但是，LiDAR缺乏紋理信息，大量建筑物的立面信息依然需要大量的人力補(bǔ)拍，這在一定程度上影響了生產(chǎn)效率[2]。

傾斜攝影技術(shù)是在最近幾年興起的。在2008年第21屆國際攝影測(cè)量與遙感大會(huì)和2011年第53屆德國攝影測(cè)量周，傾斜攝影技術(shù)都是大會(huì)討論的關(guān)鍵議題，引起廣大學(xué)者的濃厚興趣。傾斜攝影技術(shù)是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影響，獲取地面更為完成準(zhǔn)確的信息。相比于傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)能更加全面地獲得地面信息，更加符合人眼的視覺特征。國內(nèi)外目前已經(jīng)有多套成熟的傾斜攝影處理系統(tǒng)。如美國Pictometry公司推出的Pictom-etry傾斜影像處理軟件[3]能夠較好地實(shí)現(xiàn)傾斜影像的

的一項(xiàng)新技術(shù)，相比于傳統(tǒng)航空攝影獲得的垂直拍攝影像，它可以從多個(gè)角度獲得地物影像，以及常規(guī)攝影無法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息。而經(jīng)過多年的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)非常成熟地應(yīng)用于數(shù)字城市建模中。本文研究利用機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)字實(shí)景城市的建模，通過在咸寧的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用表明，這種方式高效、精度高，具有非常好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；激光雷達(dá)；數(shù)字城市中圖法分類號(hào)：P231

Abstract：ObliquePhotographyisanewtechnologyinthefieldofinternationalsurveyingandmapping，comparedtotradi?tionalaerialphotogrammetry，whichcaneasilygettargetimagesgeometryinformationwhileconventionalphotographycannot.usedindigitalcitymodeling.Thispaperstudiesthecombina?tionofLiDARandobliquephotographyindigitalrealcitymod?eling.TheexperimentsandapplicationinXianningshowthatgoodapplicationprospects.

thismethodishighlyefficient，highprecision，andhasaveryAndafteryearsofdevelopment，LiDARhasbeenverymature

frommultipleangles.Italwaysgettheobjectfa?adetextureand

Keywords：obliquephotography；LiDAR；digitalcity

隨著社會(huì)信息化建設(shè)和“數(shù)字城市”、“智慧城市”建設(shè)的推進(jìn)，社會(huì)對(duì)城市和地表信息的獲取和處理提出了更迫切的需求。傳統(tǒng)的平面數(shù)字地圖或者簡單的三維城市地圖都已經(jīng)無法滿足人們的需求，人們迫切需要更加逼真、精確的數(shù)字實(shí)景城市。

傳統(tǒng)三維城市建模[1]，其數(shù)據(jù)獲取階段主要是人

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定位量測(cè)、輪廓提取、紋理聚類等處理功能；法國Infoterra公司的像素工廠（PixelFactory）作為新一代遙感影像自動(dòng)化處理系統(tǒng)，StreetFactory子系統(tǒng)可以對(duì)傾斜影像進(jìn)行景區(qū)的三維重建和快速的并行處理。

目前，國內(nèi)外單獨(dú)對(duì)LiDAR和傾斜攝影的應(yīng)用研究都比較透徹，但是它們的結(jié)合應(yīng)用卻研究較少。本文詳細(xì)介紹了綜合應(yīng)用LiDAR和傾斜攝影于實(shí)景城市模型構(gòu)建中。

于三維模型制作和模型真實(shí)紋理制作。LiDAR的優(yōu)勢(shì)在于快速高效地獲得大量密集地面三維點(diǎn)云，構(gòu)建地表的密集三維模型。而傾斜攝影技術(shù)能夠獲得地表建筑景觀的多視角紋理，可以非常方便地制作三維模型的真實(shí)紋理。因此，結(jié)合LiDAR技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)是高效、高精度制作三維實(shí)景城市模型的關(guān)鍵。其總體技術(shù)路線如圖1所示。

主要技術(shù)流程如下：

1）進(jìn)行機(jī)載LiDAR航測(cè)與機(jī)載傾斜影像采集，獲取LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜影像。

2）對(duì)LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行分類，分離出其中的建筑物、樹木、道路等地物類型，構(gòu)建地物的三維模型。

1數(shù)字實(shí)景城市建模技術(shù)

對(duì)于數(shù)字實(shí)景城市建模，所面臨的關(guān)鍵問題在

1.1總體技術(shù)

圖1總體技術(shù)流程

3）結(jié)合LiDAR點(diǎn)云與傾斜攝影中的正拍影像，制作DOM。

4）利用傾斜影像、地面采集影像、地物三維模型，分別構(gòu)建建筑物貼圖模型、沿街要素模型和樹木模型。

其詳細(xì)技術(shù)原理如下。1.2點(diǎn)云分類

根據(jù)實(shí)景城市模型的要求，需要獲取DEM，并需要構(gòu)建建筑物、市政設(shè)施、樹木等地物的三維模型，因此，首先需要對(duì)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其流程如圖2所示。

本文采用逐級(jí)分類方法[4]，先通過預(yù)處理進(jìn)行粗差剔除，接著進(jìn)行一級(jí)分類（濾波），將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類為地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)。利用地面點(diǎn)構(gòu)建數(shù)字高程模型DEM。而對(duì)于非地面點(diǎn)，則進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，分離出植被、建筑物、電力設(shè)施等。1.3DEM生成

地面高程模型DEM僅需要地表裸露點(diǎn)，由完整

圖2點(diǎn)云分類流程

地塊的地表裸露點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)構(gòu)成地面數(shù)字高程模型DEM。經(jīng)過點(diǎn)云分類處理提出非地表點(diǎn)并歸類后，所有剩下的點(diǎn)都是地面點(diǎn)，經(jīng)過點(diǎn)云內(nèi)插，便可以生成高精度的DEM，如圖3所示。1.4地物模型構(gòu)建

根據(jù)點(diǎn)云分類結(jié)果，構(gòu)建不同的模型。模型分為以下4類：

1）傾斜模型，主要包括小區(qū)、居民區(qū)的主體、圍

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圖3DEM生成

墻、大型附屬物等。

2）精細(xì)模型，主要包括市政、主要的商業(yè)公共建筑。

對(duì)于傾斜模型和精細(xì)模型的三維構(gòu)建，根據(jù)點(diǎn)云分類的結(jié)果，分別進(jìn)行有人工干預(yù)的模型構(gòu)建。對(duì)于建筑物、市政設(shè)施、商業(yè)公共建筑，構(gòu)建三維白模，如圖4所示，構(gòu)建建筑物三維模型。

構(gòu)建完模型之后，結(jié)合傾斜攝影影像以及地面采集影像，進(jìn)行建筑物的紋理貼圖，如此可以獲得建筑物的實(shí)景三維模型，如圖5所示。

圖6

DOM制作技術(shù)流程

1）結(jié)合DEM數(shù)據(jù)、傾斜攝影的正拍影像、POS數(shù)據(jù)、影像內(nèi)參數(shù)，對(duì)垂直視圖像進(jìn)行正射糾正。結(jié)合地面控制點(diǎn)，對(duì)經(jīng)過正射糾正后的圖像進(jìn)行拼接，在拼接的過程中，拼接線應(yīng)避開陰影區(qū)、居民區(qū)，盡量從道路、河流中穿過，使拼接結(jié)果過渡自然。

2）利用傾斜攝影系統(tǒng)所獲取的垂直視圖像。在攝影過程中，由于輻射水平的差異，導(dǎo)致同一張圖像內(nèi)部的色調(diào)不均勻，相鄰圖像之間同名地物的亮度值不一致，這時(shí)需要對(duì)圖像進(jìn)行勻光勻色處理，這樣可以保證鑲嵌之后的圖像色調(diào)過渡自然、反差適中，沒有明顯的拼接線。然后進(jìn)行影像圖幅裁切，便可以得到數(shù)字正射影像圖。

圖7為制作的數(shù)字正射影像。

圖4建筑物三維模型構(gòu)建

圖5建筑物實(shí)景模型

3）要素模型，主要包括城市景觀標(biāo)志、橋梁設(shè)施、公交車站、主要街道沿路道路指示牌、路燈、垃圾桶、井蓋。對(duì)一些形狀相同的模型，如路燈、垃圾桶、井蓋，采集典型樣本制作簡單模型，并按照其實(shí)際位置擺放。對(duì)于城市景觀標(biāo)志、橋梁設(shè)施、公交車站等重點(diǎn)模型，需要進(jìn)行實(shí)地的數(shù)據(jù)采集，并擺放在其實(shí)際位置。

4）樹木模型，需要區(qū)別樹種。對(duì)城市主要樹木進(jìn)行歸類，采集典型樹木樣本，每種樹木制作精細(xì)模型、簡單模型兩種模型，并按照植被分布區(qū)域進(jìn)行擺放。1.5DOM生成

高精度DOM的生成主要包括以下幾個(gè)步驟（如

[5]

圖6所示）。

圖7數(shù)字正射影像

DOM

1.6傾斜影像貼圖

傾斜影像是具有地理信息的影像，傾斜影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到與建筑物三維模型一致的空間坐標(biāo)后，針對(duì)模型數(shù)據(jù)快速匹配出最佳傾斜紋理，作為建筑物紋理進(jìn)行貼圖。由于城市中的建筑物相互遮擋，導(dǎo)致建筑物底部或高度較低的建筑無法找到合適的紋理，這時(shí)采用人工補(bǔ)拍的方式。

將完成貼圖之后的建筑物、市政設(shè)施、樹木植被的三維模型，根據(jù)其地理坐標(biāo)與DOM結(jié)合，便可以

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得到三維實(shí)景城市模型�？蛇_(dá)到量測(cè)級(jí)精度。基于三維實(shí)景城市數(shù)據(jù)，并且結(jié)合其他種類的空間地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，可以在任何與之相關(guān)，如規(guī)劃、交通、市政、消防、反恐等城市各個(gè)行業(yè)中展開應(yīng)用，如圖9所示。其中，建筑模型可量測(cè)精度優(yōu)于30cm。

2應(yīng)用實(shí)例

咸寧市位于武漢南部80km處，是湖北省的南大

2.1研究區(qū)域以及實(shí)驗(yàn)實(shí)施概況

門，與湖南、江西接壤，成為武漢、長沙、南昌金三角（長江中游城市集群）中的中心城市，有著獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。咸寧全市面積9861km2，項(xiàng)目需獲取測(cè)區(qū)內(nèi)100km2傾斜紋理影像數(shù)據(jù)，制作測(cè)區(qū)內(nèi)76km2標(biāo)準(zhǔn)模型。2.2數(shù)據(jù)處理

根據(jù)如前所述內(nèi)容介紹，數(shù)據(jù)處理一般包含以下幾個(gè)步驟：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括激光雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等。

2）激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，在對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)去噪完成之后，對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行分類處理，將地表以外的信息分離，生成DEM。對(duì)垂直視角圖像進(jìn)行拼接、正射校正，與DEM結(jié)合，生成地表正射影像。

3）模型真實(shí)紋理粘貼，對(duì)傾斜影像進(jìn)行空三定位處理，快速恢復(fù)影像姿態(tài)，針對(duì)模型數(shù)據(jù)快速匹配出最佳傾斜紋理，將傾斜紋理與DOM結(jié)合，便可最終構(gòu)建出數(shù)字實(shí)景城市。

4）采用以上處理方法所建立的實(shí)景城市模型，所有的模型均具有測(cè)量級(jí)精度，建筑物水平、高程精度滿足1∶1000基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品精度。比較傳統(tǒng)建模技術(shù)而言，大大提高了工作效率，5個(gè)月建設(shè)一個(gè)面積規(guī)模在200~300km2的城市模型，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)效性。

圖8是咸寧項(xiàng)目所構(gòu)建的實(shí)景城市模型。

（a）空間信息量�。ň嚯x量取）

（b）三維規(guī)劃（舊城區(qū)改造）

圖9三維實(shí)景城市模型應(yīng)用

3結(jié)束語

本文研究了利用LiDAR和傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三

維實(shí)景城市模型的方法，相對(duì)于其他傳統(tǒng)的構(gòu)建三維城市模型的方法，該方法綜合利用LiDAR在獲取密集三維點(diǎn)云方面和傾斜攝影技術(shù)在獲取建筑物立面紋理方面的優(yōu)勢(shì)，大大減少了三維實(shí)景城市模型構(gòu)建過程中的人工勞動(dòng)，并具有高效、高精度的優(yōu)點(diǎn)。通過咸寧數(shù)字實(shí)景城市模型構(gòu)建實(shí)例，充分證明了該方法的可靠性，可應(yīng)用于城市建設(shè)的各個(gè)行業(yè)，具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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圖8

咸寧三維實(shí)景城市模型

收稿日期：2014_03_10。

第一作者簡介：闞曉云，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)、遙感、規(guī)劃信息化等方面的研究。E-mail：285758549@qq.com

2.3數(shù)字實(shí)景城市的特點(diǎn)及其應(yīng)用

數(shù)字實(shí)景城市的最大特點(diǎn)是真實(shí)直觀、精度高，

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