机载三维激光雷达技术在数字城市三维模型中的应用

王利超+张聪+吕学军

摘 要：本文介绍了传统三维模型建立的方法及优缺点，论述了如何利用机载三维激光雷达系统构建三维模型，并建立了项目区域的数字城市三维模型。最后总结和展望了机载三维激光雷达技术在数字城市中的应用前景。

关键词：数字城市；三维建模；机载三维激光雷达

中图分类号：P234 文献标识码：A

随着数字城市技术的发展，传统的以二维数据为主体的GIS应用已不能满足城市专业应用的空间数据表达。三维数字城市已成为城市规划和管理过程中重要的手段。三维建模是建立数字城市的重点，如何快速获取三维空间数据，并进行自动化数据处理，降低作业成本成了三维建模的核心。

1.传统的三维建模方法

传统的三维建模一般有如下3种实现技术：

一是直接使用三维模型制作软件。这种方法能比较逼真地表示城市的精细结构和材质特征，但是所表示的模型不能保证真实地理位置的精度，而且工作量和成果的数据量特别大，需耗费大量的人力物力，庞大的数据量也不利于三维数据的可视化和空间分析。

二是直接利用传统GIS的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模，建筑物的表面根据具体要求加上相应的纹理。这种方法局限于较规则建筑的三维建模，对城市的精细节点表达欠佳，视觉效果不是很好。而且高度信息一般简单地根据建筑物楼层数乘以3m～4m来确定，高程不能真实地表示。

三是利用数字摄影测量技术进行三维建模。利用航空影像、等高线数据等进行地形数据的精确采集及地表影像的处理。通过数字摄影测量立体量测的方式进行建筑结构三维数据的批量采集，生成建筑模型的原始体模型，结合外业采集的各建筑照片，进行手工纹理照片粘贴。这种方法成本相对较高。

传统的三维建模方法存在诸多缺点：数据精度低；制作周期长；质量控制难；不在同一时间采集数据，纹理受天气影响较大；投资成本大，数据更新慢；地面采集数据时，难以采集密集楼区的建筑整体，制作难度大等等。很难进行大面积的数字城市建设，仍然停留在小区域的水平，更像是一个实验室工艺，达不到一个工业化的流水线水平。

2.新型的三维城市建模方法

机载三维激光雷达系统，综合了激光雷达技术、摄影测量技术等国际先进技术，并结合传统建模方法中手工制作的优点，提供了一套完整的解决方案，可以有效解决传统工艺中的不足。

2.1 机载三维激光雷达系统介绍

机载三维激光雷达系统是将三维激光扫描仪和航空相机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术。通过基于全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）的机载定位定向系统（POS）联接，构成摄影测量与遥感领域最先进的LIDAR（Light Detectionand Ranger）对地观测系统。它不但可以用于无地面控制点或仅有少量地面控制点地区的航空遥感定位和影像获取，而且可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标，可以快速、低成本、高精度地获取三维地形地貌、数字影像及其他方面的海量信息。

机载三维激光雷达技术获取的原始数据有数码影像和激光数据，可直接进行像片调色、坐标转换、激光点云分层、自动生成DSM数据、编辑生成DEM、自动生成DOM。处理后直接得到数码影像、点云数据、DEM、DSM、DOM。

2.2 数据生產总体工艺流程

结合某旅游城市三维建模项目，提出了这种新型的三维建模方案，结合三维航空激光雷达测量系统的优势和传统手工建模方法在制作结果精细方面的优势。使用自动化设备解决了大范围空间数据的快速采集和三维测量，解决了非重点地区模型的快速制作。同时建立了航测技术与传统制作的数据接口，可以结合传统制作技术在细节和效果方面的优势提供综合解决方案，如图1所示。

3.数据生产及成果展示

3.1 DEM数据

基于激光雷达在测量地形数据方面的优势，本项目采用激光雷达进行地形激光点云数据的采集，采集结果经过分类处理后得到高精度的DEM数据，如图2所示。

3.2 DOM数据

在飞行采集地形数据时同步采集影像数据用于制作DOM数据。基于每张航片的外方位元素及地面激光点数据，软件自动进行单片微分纠正，并对设定范围内纠正后的航片进行镶嵌、裁切，得到数字正射影像图，如图3所示。

3.3 建筑侧面纹理及几何数据

激光雷达航测技术能够在飞行时采集建筑的侧面纹理和侧面几何数据。在生成DOM和DEM的基础上，可以通过手工添加一些控制点把斜片和DOM联结起来。本项目提供了专用的测量软件实现快速搜寻建筑物侧面纹理和在照片上直接量测几何数据的功能。点击正射影像，可快速搜索出4个方向斜排航片并可直接基于照片三维量测，如图4所示。

3.4 简模制作

采用专用的快速建模工具完成简模的制作，通过长方体来构建建筑模型，对于一些尖顶等复杂结构不处理。纹理数据直接使用拍摄的数据，不进行纹理的遮盖物删除、光影调整等美化处理。

3.5 精模制作

采用专用斜片测量、浏览工具和3dsMax建模工具、photoshop图片处理工具相结合的方法来完成精细模型的制作。要求建筑主体结构要突出明显，一些关键的细节如屋顶、一层的大门等要表现。建筑纹理应使用图像处理工具美化，去除树木、电线杆等遮挡物，加上一定的光影效果，使模型更美观。

3.6 场景整合

使用三维地理信息平台软件VRMap进行三维场景整合，用于数据的分析浏览。场景整合需要完成以下工作：使用DEM和DOM数据制作基础地形；将所有建筑模型导入场景，与地形匹配，确保模型位置正确；在主街道增加树木、电线杆、公交厅等配套设施，美化场景，地面使用DOM制作；在重点广场制作椅子等细节美化场景，地面使用3dsMax制作，保障步行浏览效果。

4.总结及展望

通过某市数字城市三维建模的项目生产，采用机载三维激光雷达技术获取数据并建立数据城市具有如下特点：

（1）可以直接快速获取三维空间数据、高精度数据成果。

（2）DOM数据以及激光点云数据的支持，使得对地形地物的判读、空间信息的量测与获取更加准确和便捷。

（3）数据处理自动化程度高、数据精度高、作业成本低、便于成本控制等。

（4）航飞时在建筑密集区难免少量侧面纹理无法采集完整，对于采集不完整的地区根据制作要求进行一定程度的数据地面补拍工作。

机载三维激光雷达技术具有高精度、高密集度、快速、低成本的获取地面三维数据等优势，其必将成为空间数据获取的一种重要技术手段，随着其数据处理技术以及相关行业应用平台的逐步成熟，机载三维激光雷达系统必将拥有广泛的应用前景。

参考文献

[1]赖志恒，周孝军，孙兴华.机载激光雷达系统的特征及其优势分析[J].信息通信，2014（6）：92.

[2]韩东 数字城市中的三维建模的内容与方式探讨[J].科技资讯，2010（34）：26.

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