一、技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及三維建模技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高精細城市三維建模方法。
二、技術(shù)背景
傳統(tǒng)的城市三維建模，主要采用地形圖、傳統(tǒng)航空攝影測量、衛(wèi)星遙感影象、工程測量、地面激光掃描等傳統(tǒng)測繪手段進行城市三維建模。但上述種種技術(shù)都有其明顯的缺點和不足：
(1)采用地形圖建模，需要城區(qū)具有現(xiàn)勢性強的大比例尺數(shù)字線劃圖，通過目估或人工量測獲取建筑物高后進行建模。該方法存在地物高程信息缺乏、建筑物模型高程精度差、屋頂精細度差等問題；
(2)采用傳統(tǒng)航空攝影測量，需要在構(gòu)建的立體像對中進行量測，不僅提取的模型高程精度差，更存在建模效率非常低的問題；
(3)采用衛(wèi)星遙感影象建模時，由于影象地面空間分辨率較低，提取的模型特別是建筑物模型，精度和精細度都非常差，不能滿足高精細三維數(shù)字城市建模的應(yīng)用要求；
(4)采用工程測量進行城市場景建模，存在勞動強度大、工作效率低、數(shù)字化程度低、開發(fā)成本高等多方面缺點；
(5)采用地面激光掃描建模時，存在勞動強度大、工作效率低、不適合大范圍三維城市場景建模等問題。
所以在三維數(shù)字城市信息化工程建設(shè)中采用傳統(tǒng)的地形圖、傳統(tǒng)航空攝影測量、衛(wèi)星遙感影象、工程測量和地面激光掃描測量等方法時，不可避免地帶來很多麻煩且效率低下。因此，以上技術(shù)存在開發(fā)效率低、成本高，周期長，建模精細度差等缺點。如何快速獲取城市大面積高精細的三維數(shù)字模型，構(gòu)建高精細三維虛擬城市場景，提高工程開發(fā)效率，降低項目開發(fā)成本和周期，成為本領(lǐng)域科技人員急待解決的問題。
三、
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)測繪技術(shù)在三維數(shù)字城市建設(shè)中存在的多方面問題，提高工作效率，本發(fā)明的目的是提供一種集成機載LIDAR和車載移動激光掃描測量技術(shù)的高精細三維城市場景構(gòu)建方法。它在保證城市三維建模精度和精細度的前提下，可顯著降低項目開發(fā)成本、縮短項目周期、克服現(xiàn)有傳統(tǒng)測繪技術(shù)存在的眾多缺點。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中：該方法包括如下步驟：
采用機載LIDAR完成城區(qū)航測成果的獲??；
基于機載LIDAR制作高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影象產(chǎn)品，并集成機載LIDAR中點云和航片數(shù)據(jù)的各自優(yōu)勢進行建筑物的高精細建模，制作城市三維電子沙盤和三維建筑物體框模型場景；
采用車載移動激光掃描測量完成城區(qū)道路兩側(cè)城市場景的高密集激光點云和高分辨率數(shù)碼照片獲取，參考機載LIDAR成果進行車載數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)化，之后可對城市各類小品要素進行位置、尺寸的三維量測，并快速進行要素的三維建模；
進行機載LIDAR和車載移動激光掃描測量獲取的三維數(shù)字模型成果的集成。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中建筑物體框三維建模的方法如下：
通過對機載LIDAR設(shè)備進行精確檢校和航片空三加密處理，實現(xiàn)點云和航片的高精度匹配；
通過點云實現(xiàn)建筑物屋頂面片的高精度擬合，提取建筑物屋頂面片；
通過航片參考實現(xiàn)模型邊界的優(yōu)化和模型細節(jié)的修改，制作完成建筑物三維體框模型。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中基于機載LIDAR數(shù)據(jù)及成果的車載激光掃描測量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和精度優(yōu)化方法如下：
參考同測區(qū)的機載LIDAR點云數(shù)據(jù)，確定車載移動激光掃描測量數(shù)據(jù)的高程誤差，進行高程值修改；
參考同測區(qū)的機載LIDAR建筑物體框模型成果，對車載移動激光掃描數(shù)據(jù)的精度進行核查，確定平面偏移值，進行平面精度優(yōu)化。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中基于車載移動激光掃描測量的城市道路兩側(cè)小品要素的建模方法如下：
對車載設(shè)備特別是數(shù)碼相機進行精確檢校，實現(xiàn)照片與點云的精確匹配；
參考精確分類后的地面激光點云，采用高程差值方法城市小品要素激光點云分類，確定各類小品要素及位置；
參考精確匹配的數(shù)碼照片，進行點云實體要素的識別和判斷，確定小品類型和形態(tài)；
參考對應(yīng)點云，通過剖面表現(xiàn)等方式表現(xiàn)小品的位置和三維形態(tài)，進行尺寸量測和三維建模。
本項發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
(1)快速的數(shù)據(jù)采集和建模效率：
相比于傳統(tǒng)航空攝影測量，機載LIDAR不需要地面像控點，對飛行時間段的要求不太苛刻，數(shù)據(jù)處理的自動化程度高，這些特點決定了機載LIDAR具有快速高效進行城市三維空間數(shù)據(jù)采集和建模的生產(chǎn)效率。
相比于工程測量、地面激光掃描測量，車載移動激光掃描測量技術(shù)可快速獲取城區(qū)各類道路兩側(cè)高精度、高密集的三維激光點云和高分辨率的數(shù)碼照片，通過自動的點云濾波分類后，可快速實現(xiàn)城市各類小品要素的精確定位、地物識別、三維量測、提取和建模工作，數(shù)據(jù)采集和建模效率比傳統(tǒng)方法提高好幾倍。
(2)城市三維建模精度和精細程度高：
與傳統(tǒng)航空攝影測量和衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，機載LIDAR可同步獲取高精度、高密集的三維激光點云和高分辨率的數(shù)碼照片，通過對激光點云進行地面和建筑物的分類處理，可制作完成數(shù)字高程模型，高程精度可達10cm。通過建筑物屋頂點云高精度的擬合建筑物屋頂面片后，可參考高精度匹配的數(shù)碼照片確定建筑物的特征邊線位置，并進行模型細節(jié)的修改優(yōu)化。因此，機載LIDAR提取的數(shù)字高程模型精度高、建筑物體框模型平面和高程精度都很高。
車載移動激光掃描獲取的點云平面精度可達到25cm以內(nèi)，高程精度可達到15cm以內(nèi)，地物經(jīng)過測量掃描后的點云點間距可達到5-10cm左右，可逼真表現(xiàn)地物的三維形態(tài)，結(jié)合高分辨率數(shù)碼照片后，可進行城市小品要素的高精細三維建模。
(3)項目開發(fā)成本相對較低
由于不需要外業(yè)像控點、數(shù)據(jù)處理的自動化程度高、三維建模的整體生產(chǎn)效率高等特點，機載LIDAR進行城市三維建模的項目開發(fā)成本相對要低。并且，車載移動激光掃描測量采用駕車方式即可完成城區(qū)所有道路的測量，且內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理自動化程度高。根據(jù)統(tǒng)計分析，車載移動激光掃描測量進行城市小品要素三維建模的效率要比傳統(tǒng)工程測量方法高5-10倍。因此，集成機載LIDAR和車載移動激光掃描測量技術(shù)的城市三維建模方法，可極大的節(jié)省項目開發(fā)成本。
四、具體實施方式
集成機載LIDAR和車載移動激光掃描測量技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字城市虛擬場景，與傳統(tǒng)技術(shù)方法存在很大區(qū)別，主要體現(xiàn)在：
一種高精細城市三維建模方法，其中：該方法包括如下步驟：
采用機載LIDAR完成城區(qū)航測成果的獲?。?/p>
基于機載LIDAR制作高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影象產(chǎn)品，并集成機載LIDAR中點云和航片數(shù)據(jù)的各自優(yōu)勢進行建筑物的高精細建模，制作城市三維電子沙盤和三維建筑物體框模型場景；
采用車載移動激光掃描測量完成城區(qū)道路兩側(cè)城市場景的高密集激光點云和高分辨率數(shù)碼照片獲取，參考機載LIDAR成果進行車載數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)化，之后可對城市各類小品要素進行位置、尺寸的三維量測，并快速進行要素的三維建模；
進行機載LIDAR和車載移動激光掃描測量獲取的三維數(shù)字模型成果的集成。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中建筑物體框三維建模的方法如下：
通過對機載LIDAR設(shè)備進行精確檢校和航片空三加密處理，實現(xiàn)點云和航片的高精度匹配；
通過點云實現(xiàn)建筑物屋頂面片的高精度擬合，提取建筑物屋頂面片；
通過航片參考實現(xiàn)模型邊界的優(yōu)化和模型細節(jié)的修改，制作完成建筑物三維體框模型。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中基于機載LIDAR數(shù)據(jù)及成果的車載激光掃描測量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和精度優(yōu)化方法如下：
參考同測區(qū)的機載LIDAR點云數(shù)據(jù)，確定車載移動激光掃描測量數(shù)據(jù)的高程誤差，進行高程值修改；
參考同測區(qū)的機載LIDAR建筑物體框模型成果，對車載移動激光掃描數(shù)據(jù)的精度進行核查，確定平面偏移值，進行平面精度優(yōu)化。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種高精細城市三維建模方法，其中基于車載移動激光掃描測量的城市道路兩側(cè)小品要素的建模方法如下：
對車載設(shè)備特別是數(shù)碼相機進行精確檢校，實現(xiàn)照片與點云的精確匹配；
參考精確分類后的地面激光點云，采用高程差值方法城市小品要素激光點云分類，確定各類小品要素及位置；
參考精確匹配的數(shù)碼照片，進行點云實體要素的識別和判斷，確定小品類型和形態(tài)；
參考對應(yīng)點云，通過剖面表現(xiàn)等方式表現(xiàn)小品的位置和三維形態(tài)，進行尺寸量測和三維建模。
下面以一個具體實施案例來進行說明：
充分利用機載LIDAR和車載移動激光掃描技術(shù)獲取的原始測繪成果進行城市三維建模。機載LIDAR航測技術(shù)主要用于構(gòu)建大范圍城市三維場景對應(yīng)的大比例尺數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影象和建筑物三維體框模型，形成城市三維場景的主框架；車載移動激光掃描技術(shù)主要用于獲取城市道路兩側(cè)城市小品要素的高精細建模，用于進行城市細節(jié)場景的精細建模。兩種技術(shù)手段優(yōu)勢互補，可制作完成高精細的城市三維場景。
1、通過安置在飛機上的機載LIDAR設(shè)備，在空中從同一高度不同攝影站，獲取城區(qū)高密集的三維激光點云和高分辨率的數(shù)碼照片。其中，激光點云的點間距要求在0.8米以內(nèi)，航片的航向重疊應(yīng)達到60％以上，旁向重疊應(yīng)達到30％以上，可得到城市地形地貌、建筑物模型豐富的空間三維信息。
2、基于機載LIDAR的大范圍城市場景三維建模。根據(jù)機載LIDAR獲取的高密集激光點云和高分辨率數(shù)碼航片，獲取城市高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影象和建筑物三維體框模型，形成城市三維場景的主框架。
(1)數(shù)字高程模型產(chǎn)品的制作。根據(jù)獲取的城市高密集三維激光點云數(shù)據(jù)，采用基于高程特征的規(guī)則格網(wǎng)點云濾波分類方法，提取出地面類的激光點云，進行三角網(wǎng)模型構(gòu)建，內(nèi)插后形成高精度數(shù)字高程模型。
(2)數(shù)字正射影象產(chǎn)品的制作。根據(jù)以上地面點構(gòu)成的數(shù)字高程模型，參考高精度定位定資信息，通過整體平差方法提取空三加密控制點，并對相機參數(shù)進行優(yōu)化。之后，對原始數(shù)碼航片進行數(shù)字微分糾正，得到覆蓋地表的微分糾正影象，同時確定微分糾正影象的拼接方案，采用標(biāo)準圖幅裁切方法制作數(shù)字正射影象產(chǎn)品。
(3)建筑物體框三維建模。參考已分類后的地面點，采用基于點云法向量一致性和面積閾值約束的建筑物屋頂點云分類算法，自動進行建筑物屋頂點云的分類。
同時，采用基于法向量的閾值約束算法進行建筑物屋頂面片點的聚類分割，形成建筑物屋頂面片的矢量線框。
參考高精度匹配的數(shù)碼航片，對提取的建筑物模型邊界進行調(diào)整，并進行建筑物模型細節(jié)要素的修改，制作完成高精細的建筑物體框模型。
3、通過安置在汽車頂上的車載移動激光掃描設(shè)備，沿道路行駛測量獲取道路兩側(cè)的高精細三維激光點云和高分辨率的數(shù)碼照片，要求獲取的激光點云平面精度小于25cm，高程精度小于15cm，數(shù)碼照片能連續(xù)覆蓋道路測區(qū)的三維地理環(huán)境。
4、基于車載移動激光掃描測量技術(shù)的道路兩側(cè)城市小品要素高精細建模。與機載LIDAR點云的地面濾波分類方法一致，針對車載數(shù)據(jù)的實際特點進行算法參數(shù)的調(diào)整，對地面激光點云進行自動分類。同時，參考地面點云，采用高程差值方法進行道路兩側(cè)非地面點的分類處理。同時，參考高精度匹配的數(shù)碼照片進行城市各類小品要素的識別，并結(jié)合點云和照片完成小品要素的精確量測和三維建模。
(1)參考地面點分類成果和高程差值特征，自動提取出非地面地物的激光點云，確定各類小品要素的位置；
(2)參考高精度匹配的數(shù)碼照片，對自動提取的各類小品要素進行識別，輔助判斷，確定地物類型和形態(tài)；
(3)對小品要素進行剖面顯示，量測地物的三維尺寸結(jié)構(gòu)，并進行精確三維建模。
5、外業(yè)實地拍照，進行建筑物紋理高精度貼附和局部細節(jié)場景的優(yōu)化修改。參考建筑物每個面片形態(tài)，確定需要裁切的對應(yīng)紋理。如紋理為通用型紋理，則從紋理庫中選擇對應(yīng)材質(zhì)進行貼附；如紋理為非通用型紋理，則從實拍照片中進行提取，進行質(zhì)量優(yōu)化，加入紋理庫，并進行材質(zhì)貼附。