田奇丁 陆玉明 宗婷婷 张 蓓 孙 涛

（河南省地矿局测绘地理信息院，河南 郑州450006）

1 引言

数字城市，是指运用测量、遥感、电脑网络、多媒体及仿真-虚拟技术等对城市的全部基础设施、功能机制进行动态监测与管理、辅助决策及大众服务的技术系统。这种功能的实现需要各方面数据的支撑，真实可量测的三维景观模型数据是其中很重要的组成部分。通过机载激光雷达和数字航空摄影测量方法进行数据采集，表达城市物体的三维模型，包括三维地形模型、三维建筑模型、三维管线模型。这些三维模型是数字城市重要的基础信息之一，因此城市三维建模的技术和方法研究是基础地理信息行业的热点并且逐步成熟，目前已有的三维建筑建模技术多种多样。该方法精度高、速度快、可量测、多应用，对数字城市的建立与完善具有巨大的推动作用。

其中传统的城市三维建筑模型的建立方法主要有：

（1）根据数码影像人工建模；（2）采用规划设计图纸和数码影像；（3）全数字摄影测量系统。

2 激光雷达技术在三维建筑模型中的应用

2.1 机载激光雷达测量技术原理简介

机载 LiDAR（Light Laser Detection and Ranging）是激光探测及测距系统的简称。作为一种先进的测量手段，其快速采集高精度激光点云数据和高分辨率数码影像的特点，必将为建设工程行业带来新的技术革命。它集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统（激光扫描仪）利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过数据预处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果［1］。

2.2 基于LIDAR的三维建模技术

LIDAR大致分为机载和地面两大类，其中机载激光雷达是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以测量地面物体的三维坐标。机载LIADR是一种主动式对地观测系统，它集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元差分定位技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大的突破，未获取高时空分辨地球空间信息提供了一种全新的技术手段。机载LIDAR传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。机载LIDAR数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数据地面模型（DTM）、等高线图。可以根据建模的目的对激光点云数据进行分类，提取建筑物点云数据，进而对建筑物点云进行编辑、规则化、修正等一系列处理步骤，从中提取出精细的建筑物模型。

2.3 数据的生产

结合采集原始的数据，进行GPS／IMU联合解算，可以得到扫描仪及相机曝光瞬间的WGS84坐标下的轨迹文件，进而快速确定激光点云的空间位置及影像的外方位元素。若需转换坐标系统，则通过一定的方法进行平面与高程的坐标转换。最后对激光点云进行分类、排除飞点和柱状地物点，提取地面点数据

2.4 三维建筑模型建模

LAS点云数据预建筑物特征矢量数据融合：LAS点云数据与建筑物特征矢量数据的融合主要是将立体采集的特征线和LIDAR点云数据进行叠加。（使用LIDAR数据商业处理软件，可以快速将地面数据与非地面数据分离，得到纯地表数据，生成DEM；初始的影像外方位元素一般达不到精度要求，利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正，可以快速生成DOM。DEM和DOM叠加在一起的三维地形模型，能够清晰地表达地形的高程信息及纹理信息，从而反映真实三维地形信息。）用采集的建筑物边线代替激光点云构成的不规则建筑物边线，使建筑物边缘整齐一致。由于点间距设置的不同，激光扫描仪采集到的建筑物点云，不能完全表达建筑物的轮廓，最后将房屋边缘不整齐，大多呈现锯齿状进行修整，还原城市建筑原貌［2］。

3 纹理数据获取

LIDAR航空摄影测量的技术手段可以快速高效地获取高精度的建筑物的三维结构，但无法获取建筑物的纹理，因此，其纹理的获取需要通过传统航空摄影测量或倾斜摄影测量来自动提取，或采用人机交互获取建筑物纹理。在实际生产中通常采用两者相结合的方式来进行。

3.1 LIDAR结合传统航空摄影测量技术获取纹理数据

通过对LIDAR系统采集到的LAS文件进行处理，可以得到精细的三维模型，配合摄影系统来完成纹理数据采集和处理，将新型的LIDAR点云数据处理技术和传统的航空摄影测量数据处理技术相结合，优势互补，共同完成三维模型的精细加工。

a.LIDAR点云生成三维模型。

b.利用外业控制数据和航空影像数据完成空中三角测量。

c.结合LIDAR点云生成的三维模型和航空影像及其空三成果，自动从航空影像中提取建筑物纹理数据，生成三维模型。

3.2 LIDAR结合倾斜摄影测量技术获取纹理数据

LIDAR技术与倾斜摄影技术相结合可以同时采集地面店云和倾斜影响数据，利用LIDAR点云分离获取建筑物模型，利用倾斜摄影测量传感获取建筑物顶面及侧面纹理，自动生成建筑物三维模型。

a.LIDAR点云生成三维模型。

b.将倾斜摄影数据进行空三加密，生成LIDAR数据客套和的加密成果。

c.叠加从LIDAR处理步骤中得到的三维模型轮廓数据，自动提取建筑物顶部和侧脸纹理并建立模型。

纹理影像的内、外方位元素的获取方式，可以采用与正摄获取的影像相同的方式，即结合GPS偏心分量、IMU／GPS联合差分解算，以及相机的偏心分量，得到纹理影像的原始外方位元素。获取的影像为中心投影，存在畸变差，倾斜摄影更甚。因此，纹理影像与建筑墙面上各空间物方同名点之间不能精确一一对应，为减轻后期纹理粘贴工作的难度，采用后方交会的方式对纹理影像进行几何纠正，即找正射影像与纹理影像的同名点，达到纹理影像与建筑墙面上各空间物方同名点一一对应的目的。

利用专业软件，便可进行纹理面的选择、匀光处理等，将最能准确、真实反映建筑纹理信息的影像映射在对应的模型上，以达到反映建筑现状及城市现状的目的。城市高楼密集，因此航空纹理影像难免出现遮挡和阴影，可以适当地进行处理，还原真实的建筑物纹理。

4 三维激光扫描测量的优势

4.1 LIDAR结合传统航空摄影测量技术可以全自动获取精准建筑物结构，并自动提取建筑物顶部纹理。

4.2 采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。

4.3 具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，这项技术输出格式可以直接与CAD、三维动画等工具软件接口［5］。

5 基于航空影像的三维建模技术

以DMC航空摄影测量数据为数据源对廊坊市规划区内进行城市三维模型数据生产，利用DMC航空影像数据处理、DEM及三维模型的生产流程相关技术，包括数据预处理、DEM数据生产、框架数据采集、模型纹理照片采集与制作、精度评定与分析等。建立DMC航空摄影测量数据进行城市三维建模的技术方法与流程，包括空三加密、DEM数据生产、框架数据采集、纹理制作、模型制作等；最后，对廊坊市规划区的三维模型数据中建筑物的特征点及代表性线段进行了平面点位精度与距离精度的评定，分析影响三维模型精度因素。

6 结语

在数字化程度越来越高的今天，基于二维的城市信息系统已经不能满足信息时代的需求，将三维空间信息完整呈现已成为社会发展的必然，也是“数字地球”的要求。因此对快速获取三维空间数据，模拟和重现现实生活提出了更高的要求。利用激光雷达技术采集三维空间数据和影像，可以达到房屋建模速度快，高程精度高，适用范围广，外也少，纹理映射自动化程度高，但在高楼林立，植被茂密的地方，还是需要地面补拍。建成的模型，在具有精度搞得同时，其数据量相对的也比较大，常用的浏览软件运行速度慢。大范围的真实的三维纹理模型的快速浏览、海量数据的存储和传输等都是有待解决的技术难题。

能够满足分析与量测需求，适合大规模数字城市建设。