專(zhuān)利名稱(chēng)：一種集成機(jī)載lidar和車(chē)載移動(dòng)激光掃描技術(shù)的高精細(xì)三維城市場(chǎng)景構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維數(shù)字城市建設(shè)領(lǐng)域中的城市三維建模技術(shù)，特別是一種集成 機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城市三維建模方法。
背景技術(shù)：
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(cè)量、衛(wèi)星遙感影象、工程 測(cè)量、地面激光掃描等傳統(tǒng)測(cè)繪手段進(jìn)行城市三維建模。但上述種種技術(shù)都有其明顯的缺 點(diǎn)和不足(1)采用地形圖建模，需要城區(qū)具有現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的大比例尺數(shù)字線(xiàn)劃圖，通過(guò)目估或 人工量測(cè)獲取建筑物高后進(jìn)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(xì)度差等問(wèn)題；(2)采用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量，需要在構(gòu)建的立體像對(duì)中進(jìn)行量測(cè)，不僅提取的模型 高程精度差，更存在建模效率非常低的問(wèn)題；(3)采用衛(wèi)星遙感影象建模時(shí)，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(xì)度都非常差，不能滿(mǎn)足高精細(xì)三維數(shù)字城市建模的應(yīng)用要求；(4)采用工程測(cè)量進(jìn)行城市場(chǎng)景建模，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、數(shù)字化程度 低、開(kāi)發(fā)成本高等多方面缺點(diǎn)；(5)采用地面激光掃描建模時(shí)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、不適合大范圍三維 城市場(chǎng)景建模等問(wèn)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(cè)量、 衛(wèi)星遙感影象、工程測(cè)量和地面激光掃描測(cè)量等方法時(shí)，不可避免地帶來(lái)很多麻煩且效率 低下。因此，以上技術(shù)存在開(kāi)發(fā)效率低、成本高，周期長(zhǎng)，建模精細(xì)度差等缺點(diǎn)。如何快速獲 取城市大面積高精細(xì)的三維數(shù)字模型，構(gòu)建高精細(xì)三維虛擬城市場(chǎng)景，提高工程開(kāi)發(fā)效率， 降低項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本和周期，成為本領(lǐng)域科技人員急待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)在三維數(shù)字城市建設(shè)中存在的多方面問(wèn)題，提高工作 效率，本發(fā)明的目的是提供一種集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)三 維城市場(chǎng)景構(gòu)建方法。它在保證城市三維建模精度和精細(xì)度的前提下，可顯著降低項(xiàng)目開(kāi) 發(fā)成本、縮短項(xiàng)目周期、克服現(xiàn)有傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)存在的眾多缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的首先，采用機(jī)載LIDAR完成城區(qū)航測(cè)成果的獲??；其 次，基于機(jī)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(jī)載LIDAR中 點(diǎn)云和航片數(shù)據(jù)的各自?xún)?yōu)勢(shì)進(jìn)行建筑物的高精細(xì)建模，制作城市三維電子沙盤(pán)和三維建筑 物體框模型場(chǎng)景；再次，采用車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量完成城區(qū)道路兩側(cè)城市場(chǎng)景的高密集 激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼照片獲取，參考機(jī)載LIDAR成果進(jìn)行車(chē)載數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)化，之后可對(duì)城市各類(lèi)小品要素進(jìn)行位置、尺寸的三維量測(cè)，并快速進(jìn)行要素的三維建模；最后，進(jìn)行 機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量獲取的三維數(shù)字模型成果的集成。本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(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(cè)量，機(jī)載LIDAR不需要地面像控點(diǎn)，對(duì)飛行時(shí)間段的要求 不太苛刻，數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度高，這些特點(diǎn)決定了機(jī)載LIDAR具有快速高效進(jìn)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(cè)量、地面激光掃描測(cè)量，車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)可快速獲取城 區(qū)各類(lèi)道路兩側(cè)高精度、高密集的三維激光點(diǎn)云和高分辨率的數(shù)碼照片，通過(guò)自動(dòng)的點(diǎn)云 濾波分類(lèi)后，可快速實(shí)現(xiàn)城市各類(lèi)小品要素的精確定位、地物識(shí)別、三維量測(cè)、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(xì)程度高與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和衛(wèi)星遙感技術(shù)相比，機(jī)載LIDAR可同步獲取高精度、高密 集的三維激光點(diǎn)云和高分辨率的數(shù)碼照片，通過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行地面和建筑物的分類(lèi)處 理，可制作完成數(shù)字高程模型，高程精度可達(dá)10cm。通過(guò)建筑物屋頂點(diǎn)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(xiàn)位置，并進(jìn)行模型細(xì) 節(jié)的修改優(yōu)化。因此，機(jī)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(chē)載移動(dòng)激光掃描獲取的點(diǎn)云平面精度可達(dá)到25cm以?xún)?nèi)，高程精度可達(dá)到15cm 以?xún)?nèi)，地物經(jīng)過(guò)測(cè)量掃描后的點(diǎn)云點(diǎn)間距可達(dá)到5-lOcm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(jìn)行城市小品要素的高精細(xì)三維建模。(3)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低由于不需要外業(yè)像控點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度高、三維建模的整體生產(chǎn)效率高 等特點(diǎn)，機(jī)載LIDAR進(jìn)行城市三維建模的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本相對(duì)要低。并且，車(chē)載移動(dòng)激光掃描 測(cè)量采用駕車(chē)方式即可完成城區(qū)所有道路的測(cè)量，且內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高。根據(jù) 統(tǒng)計(jì)分析，車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量進(jìn)行城市小品要素三維建模的效率要比傳統(tǒng)工程測(cè)量方 法高5-10倍。因此，集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的城市三維建模方法， 可極大的節(jié)省項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本。
具體實(shí)施例方式集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字城市虛擬場(chǎng)景，與傳 統(tǒng)技術(shù)方法存在很大區(qū)別，主要體現(xiàn)在充分利用機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描技術(shù)獲取的原始測(cè)繪成果進(jìn)行城市三 維建模。機(jī)載LIDAR航測(cè)技術(shù)主要用于構(gòu)建大范圍城市三維場(chǎng)景對(duì)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(chǎng)景的主框架；車(chē)載移動(dòng)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(xì)建模，用于進(jìn)行城市細(xì)節(jié)場(chǎng)景的 精細(xì)建模。兩種技術(shù)手段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可制作完成高精細(xì)的城市三維場(chǎng)景。1、通過(guò)安置在飛機(jī)上的機(jī)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(diǎn)云和高分辨率的數(shù)碼照片。其中，激光點(diǎn)云的點(diǎn)間距要求在0. 8米
4以?xún)?nèi)，航片的航向重疊應(yīng)達(dá)到60%以上，旁向重疊應(yīng)達(dá)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(jī)載LIDAR的大范圍城市場(chǎng)景三維建模。根據(jù)機(jī)載LIDAR獲取的高密集激 光點(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用基 于高程特征的規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)云濾波分類(lèi)方法，提取出地面類(lèi)的激光點(diǎn)云，進(jìn)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(diǎn)構(gòu)成的數(shù)字高程模型，參考高精度 定位定資信息，通過(guò)整體平差方法提取空三加密控制點(diǎn)，并對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。之后，對(duì) 原始數(shù)碼航片進(jìn)行數(shù)字微分糾正，得到覆蓋地表的微分糾正影象，同時(shí)確定微分糾正影象 的拼接方案，采用標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)后的地面點(diǎn)，采用基于點(diǎn)云法向量一致性和 面積閾值約束的建筑物屋頂點(diǎn)云分類(lèi)算法，自動(dòng)進(jìn)行建筑物屋頂點(diǎn)云的分類(lèi)。同時(shí)，采用基于法向量的閾值約束算法進(jìn)行建筑物屋頂面片點(diǎn)的聚類(lèi)分割，形成 建筑物屋頂面片的矢量線(xiàn)框。參考高精度匹配的數(shù)碼航片，對(duì)提取的建筑物模型邊界進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行建筑物 模型細(xì)節(jié)要素的修改，制作完成高精細(xì)的建筑物體框模型。3、通過(guò)安置在汽車(chē)頂上的車(chē)載移動(dòng)激光掃描設(shè)備，沿道路行駛測(cè)量獲取道路兩側(cè) 的高精細(xì)三維激光點(diǎn)云和高分辨率的數(shù)碼照片，要求獲取的激光點(diǎn)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(cè)區(qū)的三維地理環(huán)境。4、基于車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的道路兩側(cè)城市小品要素高精細(xì)建模。與機(jī)載 LIDAR點(diǎn)云的地面濾波分類(lèi)方法一致，針對(duì)車(chē)載數(shù)據(jù)的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行算法參數(shù)的調(diào)整，對(duì)地 面激光點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。同時(shí)，參考地面點(diǎn)云，采用高程差值方法進(jìn)行道路兩側(cè)非地面點(diǎn) 的分類(lèi)處理。同時(shí)，參考高精度匹配的數(shù)碼照片進(jìn)行城市各類(lèi)小品要素的識(shí)別，并結(jié)合點(diǎn)云 和照片完成小品要素的精確量測(cè)和三維建模。(1)參考地面點(diǎn)分類(lèi)成果和高程差值特征，自動(dòng)提取出非地面地物的激光點(diǎn)云，確 定各類(lèi)小品要素的位置；(2)參考高精度匹配的數(shù)碼照片，對(duì)自動(dòng)提取的各類(lèi)小品要素進(jìn)行識(shí)別，輔助判 斷，確定地物類(lèi)型和形態(tài)；(3)對(duì)小品要素進(jìn)行剖面顯示，量測(cè)地物的三維尺寸結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行精確三維建模。5、外業(yè)實(shí)地拍照，進(jìn)行建筑物紋理高精度貼附和局部細(xì)節(jié)場(chǎng)景的優(yōu)化修改。參考 建筑物每個(gè)面片形態(tài)，確定需要裁切的對(duì)應(yīng)紋理。如紋理為通用型紋理，則從紋理庫(kù)中選擇 對(duì)應(yīng)材質(zhì)進(jìn)行貼附；如紋理為非通用型紋理，則從實(shí)拍照片中進(jìn)行提取，進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化，加 入紋理庫(kù)，并進(jìn)行材質(zhì)貼附。
權(quán)利要求
一種集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城市三維建模方法，其特征是首先，采用機(jī)載LIDAR完成城區(qū)航測(cè)成果的獲??；其次，基于機(jī)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(jī)載LIDAR中點(diǎn)云和航片數(shù)據(jù)的各自?xún)?yōu)勢(shì)進(jìn)行建筑物的高精細(xì)建模，制作城市三維電子沙盤(pán)和三維建筑物體框模型場(chǎng)景；再次，采用車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量完成城區(qū)道路兩側(cè)城市場(chǎng)景的高密集激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼照片獲取，參考機(jī)載LIDAR成果進(jìn)行車(chē)載數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)化，之后可對(duì)城市各類(lèi)小品要素進(jìn)行位置、尺寸的三維量測(cè)，并快速進(jìn)行要素的三維建模；最后，進(jìn)行機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量獲取的三維數(shù)字模型成果的集成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城市 三維建模方法，其特征是其中建筑物體框三維建模的方法如下①通過(guò)對(duì)機(jī)載LIDAR設(shè)備 進(jìn)行精確檢校和航片空三加密處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和航片的高精度匹配；②通過(guò)點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)建筑 物屋頂面片的高精度擬合，提取建筑物屋頂面片；③通過(guò)航片參考實(shí)現(xiàn)模型邊界的優(yōu)化和 模型細(xì)節(jié)的修改，制作完成建筑物三維體框模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城市 三維建模方法，其特征是其中基于機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)及成果的車(chē)載激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量 控制和精度優(yōu)化方法如下①參考同測(cè)區(qū)的機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確定車(chē)載移動(dòng)激光掃描 測(cè)量數(shù)據(jù)的高程誤差，進(jìn)行高程值修改②參考同測(cè)區(qū)的機(jī)載LIDAR建筑物體框模型成果， 對(duì)車(chē)載移動(dòng)激光掃描數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行核查，確定平面偏移值，進(jìn)行平面精度優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城 市三維建模方法，其特征是其中基于車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量的城市道路兩側(cè)小品要素的 建模方法如下①對(duì)車(chē)載設(shè)備特別是數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行精確檢校，實(shí)現(xiàn)照片與點(diǎn)云的精確匹配； ②參考精確分類(lèi)后的地面激光點(diǎn)云，采用高程差值方法城市小品要素激光點(diǎn)云分類(lèi)，確定 各類(lèi)小品要素及位置；③參考精確匹配的數(shù)碼照片，進(jìn)行點(diǎn)云實(shí)體要素的識(shí)別和判斷，確定 小品類(lèi)型和形態(tài)；④參考對(duì)應(yīng)點(diǎn)云，通過(guò)剖面表現(xiàn)等方式表現(xiàn)小品的位置和三維形態(tài)，進(jìn)行 尺寸量測(cè)和三維建模。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種集成機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)的高精細(xì)城市三維建模方法。首先，采用機(jī)載LIDAR獲取測(cè)區(qū)高精度的三維激光點(diǎn)云和高分辨率的數(shù)碼航片，快速提取高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影象產(chǎn)品，并進(jìn)行建筑物的高精細(xì)建模，制作城市三維電子沙盤(pán)和三維建筑物體框模型場(chǎng)景；其次，采用車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量完成測(cè)區(qū)道路兩側(cè)城市場(chǎng)景的高密集激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼照片獲取，參考機(jī)載LIDAR成果進(jìn)行車(chē)載數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)化，之后可對(duì)城市各類(lèi)小品要素快速進(jìn)行三維建模；最后，對(duì)機(jī)載LIDAR和車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量獲取的三維數(shù)字模型成果進(jìn)行集成，從而大大提高了城市三維建模的質(zhì)量和工作效率，可大大降低項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101976467SQ201010279249
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者李建平, 江宇, 王力, 王國(guó)飛, 竇華成, 鄧世軍 申請(qǐng)人:天津市星際空間地理信息工程有限公司