1、基于機(jī)載LIDAR技術(shù)快速建立三維城市模型研究馮琰，郭容寰，程遠(yuǎn)達(dá)（上海測繪院基礎(chǔ)地理信息中心，上海，200063, 62549550-8141 HYPERLINK mailto:, ）摘要: 傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取方法已不能滿足城市日益加快的發(fā)展速度，機(jī)載LIDAR技術(shù)作為一種方便、快捷、高效的三維數(shù)據(jù)獲取方法，正在逐步得到廣泛地認(rèn)同。目前，機(jī)載LIDAR硬件和系統(tǒng)集成發(fā)展已比較完善，研究的重點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)后處理及應(yīng)用等方面。本文結(jié)合國際上最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)地介紹了機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)的后處理過程，提出了一種實(shí)用的三維城市模型，實(shí)現(xiàn)了基于LIDAR數(shù)據(jù)三維城市模型的快速重建，使該技術(shù)能更好地服務(wù)

2、于城市信息化建設(shè)。關(guān)鍵詞: 機(jī)載LIDAR，三維城市模型（3DCM），三維數(shù)據(jù)獲取，數(shù)字表面模型（DSM），點(diǎn)云，數(shù)據(jù)分類和提取 Research on Three Dimensional City Model Reconstruction Based Airborne LIDARFENG Yan, GUO RongHuan, CHENG YuanDa(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping, Shanghai, 200063, China, )Abstract: Three Dimensional City Model(3D

3、CM) research becomes a hot area in GIS field in recent years. The 3DCM research also has great significance in traffic, terra, mine, survey and other fields, especially in urban plan. The difficulty of acquiring 3D data is the key hamper for the development of 3DCM. Airborne LIDAR, which integrates

4、GPS, INS and scanning laser rangefinder, can rapidly acquire the 3D position of ground using airplane. It is very economical, efficient and convenient to acquire 3D data. In this paper, a kind of 3DCM is put forward, and the procedure of airborne LIDAR data is explored. The paper realizes the rapid

5、reconstruction of 3DCM based airborne LIDAR.Keywords: Airborne LIDAR, 3DCM, 3D Data Acquisition, DSM, Point Cloud, Data Classification and Extraction1 引言在國家信息化浪潮的推動下，城市信息化建設(shè)將逐步向深度和廣度發(fā)展，GIS技術(shù)作為城市信息化建設(shè)的重要技術(shù)支撐之一，已逐步由二維向三維發(fā)展。三維GIS能為城市提供更為豐富的空間信息，對客觀世界的表達(dá)能給人以更為真實(shí)的感受，使用戶能夠在空間的、立體的環(huán)境下進(jìn)行瀏覽、分析和決策。三維城市模型是建立城市

6、三維GIS的基礎(chǔ)，然而長期以來，由于三維數(shù)據(jù)的獲取問題，三維城市模型難以快速建立和更新，阻礙了三維GIS進(jìn)一步-馮琰，女，33歲，博士，主要從事城市GIS研究。發(fā)展。傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取方法有地形圖結(jié)合建筑設(shè)計(jì)圖紙、航空攝影測量、近景攝影測量、野外實(shí)測等方法。以上這些方法各有特點(diǎn)，但都存在以下的局限性：數(shù)據(jù)采集工序繁瑣、周期長、效率低，成本高；對于復(fù)雜建筑物，數(shù)據(jù)采集精度不高，經(jīng)常出現(xiàn)重建模型失真現(xiàn)象，如上海市標(biāo)志性建筑物東方明珠和金茂大廈。近年來，機(jī)載LIDAR作為精確、快速地獲取三維數(shù)據(jù)的技術(shù)正在逐步得到廣泛地認(rèn)同。LIDAR即LIght Detection And Ranging，中文翻譯

7、為激光雷達(dá)，是一種集激光測距、數(shù)字航空攝影、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等多種尖端技術(shù)于一身的空間測量系統(tǒng)1。通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集城市三維數(shù)據(jù)信息。與傳統(tǒng)的測量方法相比，機(jī)載LIDAR技術(shù)具有以下特點(diǎn)：高效、高精度、自動化、成本低、信息豐富等以下特點(diǎn)：高效：對于機(jī)載LIDAR，12小時內(nèi)能夠測量1000平方公里，借助于相關(guān)軟件，LIDAR數(shù)據(jù)后處理工作可以實(shí)現(xiàn)自動或半自動，將LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS或其它領(lǐng)域所接收的數(shù)據(jù)格式。高精度：由于激光脈沖不易受陰影和太陽角度的影響，從而大大提高了數(shù)據(jù)

8、采集的質(zhì)量，其高程數(shù)據(jù)精度不受航高限制，比常規(guī)攝影測量更具優(yōu)越性，平面精度可以達(dá)到0.15到1米，高程精度可達(dá)到10厘米7。全天候：不考慮數(shù)字航空攝影，單就機(jī)載LIDAR而言，它屬主動遙感。信息豐富：不僅可以獲得地面點(diǎn)三維坐標(biāo)，而且可以同時獲得地物的三維坐標(biāo)，如樹木、建筑物等，如果集成CCD，可獲取影像信息。目前對于LIDAR技術(shù)的研究與應(yīng)用在國內(nèi)已逐漸興起。中國科學(xué)院李樹楷教授等開發(fā)研制了機(jī)載三維成像儀系統(tǒng)6，武漢大學(xué)李清泉教授等開發(fā)研制了地面激光掃描測量系統(tǒng)1，中國科學(xué)院尤紅建研究員等對基于LIDAR數(shù)據(jù)的建筑物和地形提取方法417進(jìn)行了研究，武漢大學(xué)張小紅博士等對LIDAR數(shù)據(jù)濾波和地物

9、提取放法18進(jìn)行了研究。這些研究在理論方面取得了不錯的研究成果。當(dāng)前較成熟的LIDAR商業(yè)系統(tǒng)有加拿大Optech公司生產(chǎn)的ATLM和SHOALS、美國Leica公司的ALSSO、瑞典TopoEyeAB公司生產(chǎn)的TopEye、德國IGI公司的LiteMapper、法國TopoSys公司的Falcon等1。較成熟的LIDAR數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件有芬蘭Terrasolid公司的TerraModeler、TerraScan和TerraPhoto等軟件。上海市測繪院于2006年利用Optech公司的ALTM3100機(jī)載LIDAR系統(tǒng)，飛行獲取了上海市中心區(qū)20平方公里的機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)。本文在此LIDA

10、R數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國際上最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)地介紹了機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)的處理過程，并提出了適合上海市城市特點(diǎn)的三維城市模型，利用相關(guān)成熟商業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了基于LIDAR數(shù)據(jù)的三維模型快速重建，在國內(nèi)成功地將LIDAR數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。探索了一種方便、快捷、高效的三維數(shù)據(jù)獲取方法和數(shù)據(jù)處理過程，解決了三維GIS發(fā)展的一個重要瓶頸，對城市信息化建設(shè)有重要意義。2 三維城市模型三維城市模型決定了三維數(shù)據(jù)組織、存儲和管理方式，直接影響三維GIS數(shù)據(jù)瀏覽、發(fā)布和查詢分析的效率，是建立城市三維GIS的基礎(chǔ)。三維城市模型有著廣泛的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價值8，如城市噪音和熱輻射擴(kuò)散分析、通訊電波覆蓋范圍分析、城市安全

11、以及城市虛擬現(xiàn)實(shí)等。本文采用面向?qū)ο蠓椒?，結(jié)合上海市城市特點(diǎn)和目前的應(yīng)用需求，提出了一種三維城市模型。根據(jù)面向?qū)ο笏枷?，現(xiàn)實(shí)世界每種事物都可以抽象為某一類具有公共屬性的對象，對于城市而言，現(xiàn)實(shí)世界可以概括為地形以及基于地形的地物，城市三維模型包括地形模型和地物模型。2.1 地形模型地形模型通常用數(shù)字高程模型表達(dá)DEM（Digital Elevation Mode）,它的空間分布由x, y水平坐標(biāo)系統(tǒng)來描述，也可由經(jīng)緯度來描述，海拔的分布由高程Z來描述。在實(shí)際應(yīng)用中，DEM最主要的表示方法有兩種：規(guī)則格網(wǎng)模型（Grid）和不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，規(guī)則格網(wǎng)建模簡單，不規(guī)則三

12、角網(wǎng)可以很好地表現(xiàn)地形起伏?？紤]到上海市地形比較平坦，本文中采用規(guī)則格網(wǎng)方法來建立地形模型。2.2 地物模型根據(jù)空間分布特征，城市中地物模型可歸納為：人工建筑物模型、水平要素模型、非水平面狀要素模型。人工建筑物模型：人工建筑物是城市中出現(xiàn)最多的地物模型，包括房屋建筑、高架和立交橋、橋梁等。本文中利用3DMax建模工具來創(chuàng)建人工建筑物的三維模型，通過3ds文件格式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，3ds將模型剖分為空間三角網(wǎng)。水平要素模型：水平要素是指具有相同高程的要素，諸如湖泊、水庫等面狀水系要素，其特點(diǎn)為有明確的邊界條件且范圍內(nèi)高程值幾乎沒有變化，其模型構(gòu)造與二維GIS中面要素相同，唯一區(qū)別是點(diǎn)為三維坐標(biāo)點(diǎn)。非

13、水平要素模型：這類要素主要如植被、綠化地和緊貼地表的道路，它們一般覆蓋在起伏的地面上，其模型構(gòu)造也可通過邊界多邊形的三角剖分來實(shí)現(xiàn)。圖1 上海陸家嘴地區(qū)點(diǎn)云3 LIDAR數(shù)據(jù)處理LIDAR系統(tǒng)利用隨機(jī)商用軟件，對飛機(jī)GPS 軌跡數(shù)據(jù)、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，最后得到各測點(diǎn)的(X，Y，Z)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這樣得到的是大量懸浮在空中沒有屬性的三維離散點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，即LIDAR原始數(shù)據(jù)，形象地稱之為“點(diǎn)云”，如圖1所示，為疊加了正射影像的陸家嘴地區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。LIDAR原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)量巨大：上海市測繪院飛行的20平方公里數(shù)據(jù)（每0.6米一個點(diǎn)）,有

14、約10G數(shù)據(jù)量。目前普通計(jì)算機(jī)軟件和硬件都無法一次性處理如此巨大的數(shù)據(jù)量，因此在處理時必須分塊進(jìn)行。離散點(diǎn)無意義：如圖所示，從整體效果上看，點(diǎn)云反映了出建筑物形狀，地形分布特點(diǎn)，但實(shí)際上對于單個點(diǎn)而言，沒有任何意義。因此首先必須對原始點(diǎn)云進(jìn)行分類和識別處理，通過特征提取和構(gòu)面等操作，來實(shí)現(xiàn)三維城市模型的重建。信息量豐富：原始點(diǎn)云信息包括地形和地物，地物有建樹物、樹木、車輛及電力線等。要從點(diǎn)云中將這些信息一一分類識別，目前的技術(shù)還無法做到，現(xiàn)在的研究主要集中在如何從點(diǎn)云中提取感性趣的信息。不同的研究領(lǐng)域側(cè)重點(diǎn)也不同，對于城市，研究重點(diǎn)在地形和建筑物提??；對于林業(yè)，研究重點(diǎn)在樹木提取。LIDAR原

15、始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理階段,生成數(shù)字表面模型DSM（Digital Surface Model）。DSM通過數(shù)據(jù)分類和提取，得到與建模相關(guān)的地形和地物等信息，為進(jìn)一步三維城市建模作準(zhǔn)備。3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理階段包括異常點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和航帶合并。異常點(diǎn)剔除：在實(shí)際飛行測量過程中，由于各種因素（鏡面反射、系統(tǒng)電路問題、遮擋物等）的影響，LIDAR原始數(shù)據(jù)往往存在異常值，為此必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，剔除大于飛行高度和低于地面的異常點(diǎn)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：LIDAR原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于WGS-84坐標(biāo)系，對于上海市而言，要轉(zhuǎn)換到其地方坐標(biāo)系，首先由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至北京54坐標(biāo)系，由北京54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

16、到城市地方坐標(biāo)系。對于高程基準(zhǔn)，GPS定位所提供的是以橢球面為基準(zhǔn)大地高程，而實(shí)際所需要的是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高程，高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換根據(jù)城市若干已知正常高程的控制點(diǎn)擬合建立高程正常模型進(jìn)行。航帶合并：LIDAR系統(tǒng)作業(yè)時，由于航高和掃描視場角的限制，要完成一定的作業(yè)面積就必須飛行多條航線，而且這些航線還必須保持一定的重疊度(10-20)。因此須將不同航帶的LIDAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并按X方向或Y方向進(jìn)行排序，將所有航帶的LIDAR數(shù)據(jù)按一定順序合成一個整體，以便進(jìn)行分塊提取和處理。3.2 數(shù)據(jù)分類和提取LIDAR技術(shù)發(fā)展已有十幾年的歷史，絕大部分屬于硬件技術(shù)和系統(tǒng)集成的問題已得到解決，已

17、有不少成熟的商業(yè)系統(tǒng)。但LIDAR數(shù)據(jù)后處理技術(shù)還相對比較滯后，其中關(guān)鍵問題就是數(shù)據(jù)分類與提取。國際上許多商業(yè)公司及各大科研院所都正在致力于這方面的研究，多種過濾算法和提取方法已經(jīng)被提出，將來可能會有更有效、更完善的算法被提出。由于客觀世界地形和地物的復(fù)雜性，目前對于數(shù)據(jù)分類與提取的研究，都側(cè)重于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。就三維城市建模而言，研究主要集中在地形提取和建筑物提取等方面。在地形提取方面，瑞典Axelsson等人提出了基于TIN（Triangular Irregular Network）漸進(jìn)增長的算法9，該算法首先選擇初始地面點(diǎn)，構(gòu)成初始TIN，設(shè)置跌代角度、跌代距離及傾斜角度等參數(shù)值，通過反

18、復(fù)跌代將DSM中的點(diǎn)逐步增加到TIN中，實(shí)現(xiàn)地形提??；奧地利Franz Rottensteiner等人采用不均勻誤差分布函數(shù)的分層魯棒內(nèi)查算法13來得到數(shù)字地面模型DTM；荷蘭Delft大學(xué)Vosselman等人提出了一種形態(tài)濾波方法10從DSM中分離地形點(diǎn)和非地形點(diǎn)，后來這種方法被多人改進(jìn)和優(yōu)化，演變出另外諸多算法；奧地利Wack和Wimmer提出了一種基于格網(wǎng)分等級方法12從DSM生成DTM。荷蘭Sithole等人對以上算法進(jìn)行了比較11，分別選擇不同特點(diǎn)的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)對于非復(fù)雜區(qū)域，這些算法執(zhí)行的效果都不錯，但是對于復(fù)雜區(qū)域，尤其是城市，就需要人工干預(yù)或進(jìn)一步處理。在建筑物提取方面，美國普

19、渡大學(xué)Alhartthy等人設(shè)計(jì)了通過漸進(jìn)濾波方法19進(jìn)行建筑物三維信息的提??；荷蘭Delft大學(xué)Vosselman等人采用三維霍夫變換14從DSM中提取屋頂信息，外輪廓從平面信息獲得，對于十分密集的DSM點(diǎn)云，他們還研究了Delaunay三角形處理方法16來得到建筑物信息；美國Ohio大學(xué)Michel等人采用基于最小二乘平差DSM點(diǎn)云（由TIN構(gòu)成）的區(qū)域增長算法15來提取建筑物的外輪廓；中國科學(xué)院尤紅建研究員對稀疏DSM點(diǎn)云進(jìn)行了研究，提出了基于稀疏DSM點(diǎn)云自動提取建筑物外輪廓的方法17。建筑物提取的難點(diǎn)在屋頂形狀的提取，對于規(guī)則屋頂（人字形、平頂、斜頂）以上算法都有不錯的效果，但對于復(fù)

20、雜的屋頂，還需要人工干預(yù)或進(jìn)一步處理。上海市測繪院選擇目前比較成熟的芬蘭公司商業(yè)軟件TerraSolid，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類和提取。TerraSolid運(yùn)行在MicroStation平臺下，基于瑞典Axelsson等人提出的分類和提取算法，包括TerraScan、TerraModeler和TerraPhoto等多個模塊。TerraScan用于數(shù)據(jù)分類和提取，TerraModeler用于生成和處理各種面，TerraPhoto用于處理原始影像。通過該軟件得到的地形模型和建筑物模型，對于復(fù)雜的人工建筑物（如東方明珠、高架立交），還需要配合人工修整和處理，20平方公里數(shù)據(jù)處理用時一個多月，在保證精度的前

21、提下效率得到了大大提高。圖2 未貼紋理的上海陸家嘴地區(qū)三維模型圖3 貼紋理的上海陸家嘴地區(qū)三維模型4 三維城市模型重建地形模型和建筑物模型通過TerraSolid處理DSM，結(jié)合少量人工干預(yù)得到。地形模型用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）表達(dá)，建筑物模型用3ds格式表達(dá)，如圖2所示，由LIDAR數(shù)據(jù)得到的未貼紋理的上海陸家嘴地區(qū)三維模型。為了達(dá)到比較好的可視化效果，地形模型疊加正射影像，建筑物模型貼真實(shí)紋理照片，如圖3所示，為貼紋理照片的上海市陸家嘴地區(qū)三維模型。上海市測繪院擁有上海市豐富的二維數(shù)據(jù)信息，充分利用這些二維信息，結(jié)合LIDAR地形數(shù)據(jù)，通過開發(fā)相應(yīng)工具，來完成其它要素模型重建。對于水平要素

22、模型，從地形數(shù)據(jù)得到高程信息，從二維數(shù)據(jù)得到平面位置，然后按照二維面要素結(jié)構(gòu)來構(gòu)建水平要素模型；對于非水平要素模型，利用二維數(shù)據(jù)和地形模型TIN的疊加運(yùn)算來重建其模型，其最終模型也由TIN來表示。5 結(jié)束語鑒于機(jī)載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，而我國在機(jī)載LIDAR技術(shù)方面的應(yīng)用研究同國際發(fā)達(dá)國家相比相對落后1。上海市測繪院里利用機(jī)載LIDAR技術(shù)，采集20平方公里市中心城區(qū)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)處理、提取和三維城市模型重建的研究，積累了LIDAR數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)，充分證明了LIDAR技術(shù)是一種方便、快捷、高效的三維數(shù)據(jù)獲取方法。對在我國廣泛開展機(jī)載LIDAR技術(shù)的應(yīng)用研究以及數(shù)據(jù)處理的方法

23、研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，使該項(xiàng)技術(shù)能有效地服務(wù)于我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，更好地適應(yīng)不斷加快的城市信息化建設(shè)步伐。參考文獻(xiàn)1 羅志清，張惠榮等. 機(jī)載LIDAR技術(shù)J. 國土資源信息化，2006（2）.2 王繼周，李成名，林宗堅(jiān). 城市三維技術(shù)獲取探討J. 測繪科學(xué)，2004（4）：71-743 李必軍，方志詳，任娟. 從激光掃描數(shù)據(jù)中進(jìn)行建筑物特征提取研究. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào), 信息科學(xué)版，2003（1）：65-694 龍紅建，蘇林. 基于機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)提取建筑物的研究現(xiàn)狀. 測繪科學(xué)，2005（5）：113-1165 路興昌. 基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維場景仿真. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006：176-

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