高云龙，张 帆，黄先锋，2，张 飞，江 宇

(1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079;2.测绘遥感信息工程国家重点实验室深圳研发中心，广东深圳510000;3.天津市星际空间地理信息工程有限公司，天津300000)

一、引 言

三维数字城市是将城市地理、资源、环境、人口、经济、社会社情和各种社会服务等复杂系统进行数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策支持和可视化，在国土安全、城市规划、市政管理等方面应用广泛。近年来，三维数字城市信息化工程建设已大面积开展［1-3］，而建筑物三维模型重建是其中的一项重要工作。经过二十几年的发展，激光扫描(light detection and ranging，LiDAR)由于可以快速准确地获取大面积对象表面密集的三维采样点数据，因此日益成为建筑物三维重建的一种重要的数据源［4］。

然而，目前国内外的大多数研究都是针对一定程度上的自动化处理算法，并没有形成一套完整的建筑物建模实用系统。只有芬兰TerraSolid公司的TerraScan软件具有完整的点云处理的航带调整、点云分类、建筑物检测等由激光点云重建建筑物三维模型的全部流程，可用于城市三维模型数据生产。但是，TerraSolid中建筑物重建算法鲁棒性不高，不能自动融合影像提供的良好边缘信息进行建筑物重建;同时，它包含的实用编辑工具有限，输出成果难以满足三维城市建模的软件需求，从而导致从机载激光扫描点云进行建筑物三维重建人工交互工作量大、效率低下等问题。

针对目前利用激光扫描在城市三维模型重建中存在的问题，本文设计了一种融合影像的机载激光点云建筑物三维重建系统，系统利用影像较好的边缘信息和激光点云的面片信息，集成了基于法向分割的面片检测算法、带约束的空间二元分裂合并(BSP)算法，整合了模型编辑修改、模型内部面消除、女儿墙生成、屋檐改正等工具，提供了建筑物三维模型重建的整套解决方案。系统以MicroStation V8i SS2(以下简称MS)平台为基础，结合TerraSolid软件开放的点云API函数接口进行组件式开发［5-7］;利用经典BSP算法［8］完成建筑物模型几何拓扑结构重建;利用MS系统的CAD功能开发实现模型后期编辑、修改工具;支持多种三维数据格式导出。最终，完成建筑物三维模型重建。

二、系统功能结构

1.技术流程

根据机载激光点云和影像的数据特点，本系统对建筑物三维重建采用建筑物外轮廓采集、屋顶结构重建、模型编辑、模型导出4个层次的技术流程，技术流程如图1所示。

1)多源数据融合模式下的建筑物外轮廓采集层融合点云和影像建立单片测图环境，对建筑物外轮廓进行人工采集。

2)模型屋顶结构重建层首先采用法线分割方法［7］检测屋顶面片和屋顶结构线，再利用BSP算法重建屋顶结构。

3)模型编辑层可对一些特定要求的模型和自动生成效果不理想的模型提供系列编辑工具进行修改。

4)成果导出层支持模型以多种三维格式文件导出。

图1 技术流程图

系统输入原始数据，构建单片测图环境，勾绘建筑物外轮廓。首先通过计算每个点局部法向量，依照法向分割方法进行面片检测，构建面片间的空间关系提取屋顶阶跃线和屋脊线;再通过BSP约束分割、合并面片，生成初级的屋顶面拓扑结构。对于部分屋顶面片模型进行特征线人工干预修正，利用影像底图辅助编辑、增加特征线、删除特征线、编辑特征线等功能，最后完成经过拓扑关系检查的建筑物模型并输出。

2.功能设计

为了满足测绘、规划相关部门的业务需求，系统包括单片测图和三维模型重建两个功能模块，具体如图2所示。

单片测图模块向作业员提供可交互编辑的环境和建筑物外轮廓采集工具，主要包括构建测图环境、建筑物外轮廓采集和编辑功能。构建测图环境利用空三加密成果作为初值加上同名特征匹配解算航片的外方位元素，恢复摄影瞬间姿态，构建透视投影模型，结合点云搭建单片测图环境。建筑物外轮廓采集、编辑工具被设计为对建筑物边界几何信息进行人机交互采集、编辑。

图2 三维模型重建系统功能图

三维模型重建模块提供建筑物三维重建、屋顶结构编辑、特色工具编辑及成果输出功能。模块中建模功能子模块实现了全自动建模算法生成屋顶初级模型，在自动算法结果不是最优的结果上利用增加线、删除线、合并点等编辑修改工具进行编辑;同时，模块提供女儿墙生成、屋檐改正、内部面消除等特色编辑功能，可满足特定需求。最后，模块支持DWG、OBJ、STL通用三维文件格式，以及TerraScan软件识别的中间文件的文件格式。

三、关键技术

1.基于法向分割的面片检测算法

屋顶面片是构成屋顶结构的基本元素，它的检测是建筑物结构模型重建过程中重要而基础的工作。首先构建三角网建立点邻接关系;然后计算点邻域法向量并统计，划分不同法向的面片;接着计算相同法向点集到原点距离，分离平行面片;对于在空间中相离的同一平面上的多个面片，通过区域增长方法进行聚类分离。最终效果如图3所示。

图3 面片分割效果

2.带约束的BSP算法

BSP算法是建筑物模型拓扑重建的核心算法。在面片检测结束后，根据空间面片之间的几何关系获取屋顶结构中的结构线。利用建筑物外轮廓和检测到的屋顶结构线进行空间二元分裂，分裂规则如下:

1)找到当前多边形内最长的屋顶结构线。

2)利用步骤1)结构线分割多边形，一分为二，将多边形内的线和点云面片按空间分配到两个多边形内。

3)多边形内无线段时终止，否则返回步骤1)。

空间二元合并即合并空间上邻接并且要求面片类别一致的屋顶面片，多边形类别以内部最多的点云类别标识。至此，BSP二元分裂合并完成，建筑物屋顶初级结构重建完毕，如图4所示。

图4

3.顾及建筑物矢量模型拓扑关系的无冗余模型生成方法

通过机载LiDAR数据检测建筑物模型屋顶面片后，建立三维模型面片之间的空间关系，计算面片两两之间相邻、相切、相离、包含、相交的不同状态，针对不同状态进行对应处理，从而消除模型内部面，捏合歧义点，生成没有内部面片的建筑物模型。此方法可消除后期在模型纹理贴图过程中的闪面、漏面、缝隙等模型拓扑不一致的现象，如图5所示。

图5 模型拓扑结构检查

四、系统实现

测图模块和建模模块在逻辑上是顺序关系，功能上相互独立，针对对象不完全一样，因此系统由两个不同功能的插件模块组成并加载到MS中，这样更有利于系统的模块化管理和后期扩展。系统利用NativeCode应用程序挂接动态链接库(DLL)形式进行底层算法整合，采用mdl语言对系统主界面的菜单栏、工具条进行设计。测图模块包括主菜单栏、一个地物采集工具条和一个地物编辑工具条;建模模块由一个主菜单栏和工具栏组成。主界面如图6所示。

图6

五、结束语

基于MicroStation V8i SS2的机载LiDAR建筑物三维建模系统已初步应用于实际生产，实现了基于激光点云的建筑物三维模型快速重建目标。系统充分利用了点云高程精度高、航片中的地物边界信息丰富的优点进行建模。与现有的商业软件Terra-Solid生成方式相比，本系统支持批量重建并逐个检查，对于建筑物复杂程度相对不高的建筑建模效率优势明显。系统已在天津市星际空间地理信息工程有限公司多个数字城市项目中投入使用，经上千平方千米的建筑物建模生产实践，可满足数字城市建筑物三维建模高程精度、平面精度，达到了作业要求，缩短了建模周期，提高了50%以上效率。

［1］肖剑平.基于MicroStation实现数字城市3维仿真［J］.测绘通报，2002(12):46-49.

［2］郭仁忠，林亨贵.数字城市及其数字国土支撑［J］.测绘通报，2008(9):1-5.

［3］郭仁忠，陈学业.数字城市测绘体系初探［J］.测绘通报，2010(6):1-4.

［4］VOSSELMANG.Building Reconstruction Using Planar Faces in Very High Density Height Data［J］.International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing，1999(32):87-92.

［5］王密，陈克明，陈少勤，等.基于MicroStation V8的立体采编系统开发与实现［J］.测绘信息工程，2006，31(2):17-19.

［6］宋关福，王尔琪.MicroStation开发语言(MDL)应用教程［M］.北京:科学出版社，1996.

［7］WINTER S J.学习 MicroStation VBA［M］.BENTLEY软件(北京)有限公司，译.北京:中国水电水利出版社，2007.

［8］黄先锋.机载LiDAR点云数据的建筑物重建研究［D］.武汉:武汉大学，2006.