一种城市三维建模的新途径

一种城市三维建模的新途径

王　冬,卢秀山,刘凤英,黄　磊

(山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东青岛　266510)

摘要:本文介绍了一种新的三维建模途径,主要的数据来源是:基于“车载式近景目标三维测量系

统(3D 2Surs )”采集的建筑物立面点云数据和纹理图像,以及基于低空摄影测量技术获取的数据。

实验表明,该建模方法具有速度快、模型的精度高、逼真度好等优点,具有较高的应用推广价值。关键词:三维建模;车载式近景目标三维测量系统;点云;低空摄影测量中图分类号:TP39119文献标识码:B Abstract :This paper introduces a new method for 3D urban m odeling ,the main s ources of the data covers :the texture and point clouds of the building ’s facade from 3D 2Surs ,the data from the low altitude photogrammetry.The case study has proved that this method is fast for 3D m odeling.Meanwhile ,the m odels has high precision and g ood vision.Therefore ,it is w orth to be used for 3D urban m odeling.

K ey w ords :3D m odeling ;3D 2Surs ;point clouds ;low altitude photogrammetry 收稿日期:2006208205;修订日期:2006211223

基金项目:“863”项目近景目标三维测量技术(一)资助

(2003AA133040).

作者简介:王冬(1979-),男(汉族),江苏宿迁人,在读

博士生.

0　引言

三维模型因具有更加直观、更加逼真的视觉效果而成为近年来测绘科学的热门研究方向之一。国内外一些专家学者在该领域做了大量的研究,提出了基于几何建模的方法、基于图像绘制的方法以及

两者相结合的建模方法[1]

。如I NRI A S ophia Antipolis 提出的基于序列影像的三维重建;邵振峰提出的基于航空立体影像对的人工目标三维提取和重建;沈向阳等提出的基于全景拼图的重建方法等;G unter P omaska 提出了基于多影像摄影测量的3D 模型建立方法;K AZ UO ODA 等人根据LI DAR 数据和航空影像自动重建三维城市模型的方法等。

不同的数据源决定着数据获取的内容、处理方式、精度以及三维建模的速度和模型的质量(精度和视觉效果等)等。目前大部分城市三维建模方法中存在以下一些不足:(1)三维模型的精度(平面精度和高程精度)较低,一定程度上限制了模型的应用领域;(2)建模的速度较慢(主要由数据外业获取途径和内业处理的方法决定),自动化程度较低;(3)建筑物的细节层次不能得到较好的重建。

针对上述建模方法中存在的主要问题,本文提出了一种新的建模途径:利用3D 2Surs 获取建筑物立面的激光扫描数据、CC D 数码相机获取的建筑物立面纹理图像以及低空(或者传统航空)摄影测量技术获取的地表等信息进行地物和地貌的三维重建。该方法融合了多种数据源的优点,在获取建模所需数据的方式、数据处理的速度方面有较大的提

高(特别是建筑物特征数据的获取以及立面纹理图

像的处理速度方面),有效提高了建模的速度和模型精度,并且使建筑物的细节层次得到了较好的重建。

1　数据获取与处理

该项建模技术的流程如图1所示。主要包括外业数据的获取、内业数据的预处理以及模型的重构和管理几部分内容。其中,外业数据采集主要是指通过低空摄影测量的方法获得测区的地表信息、通过车载激光扫描仪获得建筑物立面的三维坐标以及通过数码相机采集建筑物立面以及各种地物的纹理图像;内业数据处理部分主要是建模区域DE M 和DOM 的获取、建筑物特征数据的提取和立面纹理图像的纠正与量测,最后进行三维模型重构、管理与应用。111　低空摄影测量技术

低空摄影测量技术是近年来发展起来的一种新的遥感技术,它主要以直升机、无人驾驶双翼飞机、无人驾驶直升机和无人驾驶飞艇等为遥感平台,如北京科源大地遥感技术开发中心开发的“蓝鹰AD200Y ”低空遥感平台,中国测绘科学研究院

图1　建模流程图

研制的“UAVRS 2II 型无人机遥感监测系统”和

“UAVRS 2F 型无人飞艇低空遥感监测系统”等。它为高分辨率遥感影像数据的获取提供了一种新的控制平台。

图2　激光扫描数据获取与处理流程图

相对于传统的航空摄影测量方式而言,低空摄影测量技术具有如下优点:①机动性、灵活性。无须要求专用起降场地,城市的运动场、广场等都可以作为起降场地,特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区及国内南部丘陵、多云地区飞行;②影像分辨率高,可获多角度影像;③系统成本及影像数据处理费用较低。影像数据后处理的设备要求不高、成本费用低,高档微机就可以作为主要设备,不需要像传统航摄像片需配置高精度扫描

仪和数字化处理设备[2]

。

基于低空摄影测量技术的上述优点,采用该技术采集建模区域的彩色数字大比例尺影像,经过内业处理,可以快速、方便地获取该区域的DE M 和DOM 数据以及部分建筑物的平面位置、高程以及部分房屋的顶部和侧面纹理图像等信息。相对于传统的航空摄影测量方式,节省了外业采集影像的时间和费用,为小范围的城市三维建模提供了一种更方便快捷的获取测区地表信息的途径。112　车载激光扫描技术

准确快速地获取建筑物的特征数据是城市三维建模的关键技术。不同的数据采集方式决定着获取数据的速度、精度以及数据所含信息量。如可以从航空摄影测量的航片中采集建筑物的位置和顶部高程等信息,但对于建筑风格多样化的现代化建筑物来说,难于采集到建筑物(特别是建筑密集和遮挡

严重区域)的凹凸部分以及走廊、门厅、窗户等细部结构信息。而且,这种方式获取的数据精度相对较低;基于LI DAR 数据、QuickBird 多谱段影像多适用于平顶房屋的三维重建;同样视频序列影像也不能提供较详细的房屋细部结构的空间坐标。

市场上常见的有二维和三维两种类型激光扫描仪,三维激光扫描仪采集的数据精度相对较高,但其扫描速度一般较慢,比较适合于室内等小区域的建模数据的采集;相比之下二维激光扫描仪(特别是车载式)以其速度快,实时性强,精度高等特点在数字城市工程中得到了越来越广泛的应用,较适合于大面积的室外建筑物建模数据的快速采集。

本文采用“车载式近景目标三维测量系统(3D 2Surs )”,可以快速获取测区建筑物立面特别是其细部结构的空间坐标数据,而且这种获取数据的方式受天气影响较小,即使在阴雨天气也能正常采集数据。该系统(如图2所示)主要由差分全球卫星定位系统(Differential G lobal P ositioning System 2DG PS )、二维激光扫描仪(Laser Scanner 2LS ,型号:LMS 2Q140i 280,技术参数见表1)、CC D 相机(Charge C oupled Device 2CC D ,型号:Nikon DlX )、系统控制器件以及汽车和相应的软件包构成[3]

。通过车载激光扫描仪以及G PS 定位技术,可以快速获取大范围内建筑物的特征点云数据(具有平面坐标和高程),其平面坐标精度稳定在10cm 以内。

LMS 2Q 140i 280部分技术参数表1

指标

数值

扫描距离(m )

2～700

距离测量精度(固定误差Πmm )±25

距离测量精度(比例误差Πppm )

±20激光波长(μm )019扫描范围(°

)±40

激光安全等级(class )1作业环境温度(℃

)-10～+50

扫描速度(线Πs )

40

将采集到的建筑物立面点云数据首先进行数据数据格式的转换(.log 到.ASC ),然后应用基于扫描数据中水平点信息的“水平点参照系”算法提取建筑物立面的特征信息并进行边界拟合,在保证

精度的情况下剔除了大量冗余数据,提高了后续数据处理时间。该技术为解决城市信息的快速更新、管理、建模(特别是细部结构建模)等问题提供了一种很好的途径。113　纹理图像的获取与处理

纹理图像是城市三维建模中的重要组成部分,主要包括地表、建筑物以及特殊地物(植被、路灯、广告牌等)的纹理数据。地表纹理信息丰富,如地貌信息、道路植被信息以及各种地物间的拓扑关系等,可以通过航空摄影的方式获取测区的地表纹理;建筑物纹理包括顶部和立面纹理两部分,可以通过3D 2Surs 的CC D 数码相机采集建筑物立面以及特殊地物的纹理,其顶部纹理数据可以从航空影像中直接采集。纹理数据的采集方式、处理方法直接影响到建模的速度以及模型的逼真度和精度。

纹理图像的处理(纠正、拼接、去遮挡等)一般采用Photoshop 等图像处理软件,但这种常规的图像处理方法对于大范围的建模来说,工作量非常大,很大程度上影响了建模的速度,另外,处理后的纹理图像存在信息丢失现象(如像素间的几何关系),一定程度上限制了纹理图像的应用范围。为了提高建筑立面纹理图像的处理速度,以及从图像中获得更多的有用信息,本文采用了一种快速纠正建筑立面纹理图像的新方法,算法的基本思想如下:如图3所示,绝大多数建筑物立面中都存在着丰富的平行线信息,如边界线、窗户的平行线等,利用摄影测量中的透视投影原理,在像平面坐标系中提取出平行和竖直的两组直线段(本文采用人工提取),来求解水平和竖直两个主方向的合点(i 1,

i 2)以及投影中心S 的坐标,确定合线、主纵线以及迹线的方程式,然后采用直接线性变换的方法,实现影像的快速纠正。此算法简单易行,提高了纹

理图像几何纠正的速度[4]

,并且保留了图像更多的有用信息。

图3　建筑物透视投影叠合图

车载激光扫描仪(LMS 2Q140i 280型二维激光扫描仪)扫描时的俯仰角为±40°。对于高层建筑物和被遮挡的房屋来说,采用车载扫描的方法获取其高

处和被遮挡的立面信息存在一定难度。为了获取建模所需的数据,采用以下两种方法从纹理图像中来获取建筑物的尺寸等信息。

方法一:1)利用CC D 数码相机拍摄建筑立面纹理图像,并进行光学畸变改正;

2)利用上述算法快速纠正纹理图像,得到建筑立面的正射影像;

3)根据已知边长,按比例关系计算待求边长。方法二:1)利用CC D 数码相机拍摄建筑立面纹理图像;

2)获取图像中一平行四边形目标四个角点的像平面坐标;

3)利用四边形四条边的投影关系通过体积计算得到投影中心到平行四边形的四个角点的距离比[5];

4)根据距离比和四边形一条边的边长求另一边的边长。

方法一,既可以获取建模所需的纹理图像,同时可以获取建筑立面的高度(宽度)等信息;方法二,无须进行图像的快速纠正,可获取相关的长度、像片的方位元素等信息。2　实验分析211　纹理图像实验

利用检校过的非量测Nikon DlX 数码相机(f 28

～70mm )锁定主距f =28mm [6]

,从不同的角度手动调焦拍摄建筑立面纹理图像,分别应用方法一和方法二(VC ++程序实现)从纹理图像中获取立面的边长等信息。具体实验方法如下:采用全站仪测出

建筑物立面上特征点(1、2、3…

)的实际平面坐标和高程,解算出立面的高度和宽度,将其视为标准值,以已知宽度(高度)为基准求解左右两条边缘铅垂线(上下两条边水平线)的平均长度,求其与已知高度(宽度)的差值进行比较,并求其中误差。

综合各种因素的影响,通过对六张建筑物立面的试验数据分析,得到两种边长度量的几何精度如表2所示,另外,方法一实现了纹理图像的快速几何纠正。

边长量测精度分析

表2

方法

量测精度铅垂线精度

(mm )水平线精度

(mm )总体精度

(mm )方法一636966方法二

87

105

96

212　激光扫描数据实验

用3D 2Surs 获取建筑物立面点云数据,进行数据格式的转换等预处理,并进行特征提取,得到提取后的建筑物边缘点。如图4所示,与处理前的数据相比,建筑物的轮廓更加清晰,去除了大量冗余数据点,实现用最少的点更精确的描述建筑物信

息。处理后的点为三维建模等工作提供准确简洁的基础数据,简化了三维建模等后续的工作。为了评定信息提取的精度,选取4条扫描边用全站仪对建

筑物进行了实地测量以进行对比,具体结果如表3所示。

特征提取精度分析

表3

观测边实测长度(m )

提取后长度(m )

差值(m )

精度(m )

1151464151452010122371566371581-010*******

3311013301991010224

41875

41808

01067

图4　特征提取前(共含241669个扫描点)、后(共含3896个扫描点)圆弧形建筑物俯视图

213　基于直升机的低空摄影测量实验

1

)选取了1km ×1km 的矩形区域作为试验区,区内地势较为平坦,高程一般为100m 左右;

2)在实验区高级控制点的基础上,建立测区控制网,为低空数字影像的摄影测量处理提供控制基础;

3)然后根据确定的作业区域和航空摄影作业

规范等进行航摄参数的选取,如摄影机镜头的选

取,航高、航摄比例尺、航线的确定等;

采用米-8直升机作为摄影平台,用Hasselblad 像机和K odak 数码后背作为传感器进行了低空数字摄影测量外业试验。一些技术参数如表4所示。

低空摄影技术参数

表4

指标

数值

直升机的相对飞行高度(m )

100～1000飞行速度(km Πt )80～300像机的主距(mm )40CCD 面阵大小(mm ×mm )36168×36168分辨率(pixel ×pixel )

4072×4072

像素大小(μm )

9航高(m )600航速(km Πt )90曝光时间间隔(s )7曝光时间(s )

1Π500光圈数

11

图5　彩色数字低空摄影航片与处理后生成的DOM

4)低空摄影测量内业处理。根据外业像控点

对实验区进行空三加密计算,然后进行像片的内定向、相对定向、绝对定向等一系列处理,最终获取测区的DE M 、DOM 等所需的信息(如图5所示)。实验表明,相对于传统的航空摄影测量方式,低空摄影测量更适合于小区域的地面信息的获取。214　建模实例

利用“车载式近景目标三维测量系统”外业获取建筑物立面的特征和纹理数据,内业实现激光扫描数据的边界提取和拟合,以及纹理的快速纠正和

边长的度量,并结合低空摄影测量技术,对小区进

行了三维重建,效果图如图6所示。

从效果图可以看出,试验区的三维模型效果逼真,建筑物的细部结构(楼梯、柱子、窗台等)得到了比较好的重建。另外,可以从三维景观模型中获取建筑物各部分的真实的平面坐标和高程。

三维模型除了要满足逼真的视觉效果外,还要具有一定的精度指标,以满足不同的应用目的。建筑物的精度分析具体如下:通过常规方法———G PS 静态定位和全站仪测量出待测建筑物立面上特征点

位的平面坐标和高程,作为标准值。在相同条件下获取模型上不同特征点的12组数据。比较建筑物模型点坐标值与标准值,利用公式m =

[Δ

Δ]n

计

算出平面坐标、高程以及点位的中误差如表5所

示,以此评定建模的精度。

图6　三维景观模型

三维模型精度分析

表5

X 精度(mm )

Y 精度(mm )

Z 精度(mm )

平面精度(mm )

43

70

91

82

3　结论

通过实验分析,得出以下几点结论:

1)数据源、数据采集的途径以及数据的处理方式等多种因素直接影响到三维建模的速度和模型的精度;

2)车载激光扫描技术与纹理图像处理技术的应用,可以有效提高建模的速度以及模型的质量(逼真度、细节程度和几何精度等);

3)影响该建模方法所建房屋模型几何精度的主要因素是车载激光扫描数据的精度;

4)近景摄影测量技术的应用,一定程度上可以解决采用“车载式近景目标三维测量系统”获取建筑物立面信息时城市绿化系统对城市景观的遮挡问题。

本文提出的建模途径,一定程度上解决了建筑物细部结构信息获取难度大、纹理处理和建模速度慢、建筑物三维模型精度低等建模过程中普遍存在的一些问题,具有较好的应用推广价值。本文作者希望与同行在以下几方面继续探讨:

1)基于车载激光扫描数据的建筑物模型自动

重构;

2)三维城市模型(不同应用领域)的数据规范、精度指标要求;

3)合点自动探测技术在纹理图像处理过程中的应用。

参

考

文

献

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