2016, Vol. 41引用本文 |
| 移动测量技术在建筑物三维建模中的应用 |  [PDF全文] |
随着数字城市、智慧城市的不断发展, 对城市主要建筑物、标志性建筑的精细建模已成为数字城市必不可少的一部分。移动测量系统(mobile mapping system,MMS)是当今测绘界最为前沿的科技之一[1], 移动测量技术的出现弥补了很多传统建模方法的不足。其获得的激光点云数据都是直接采集目标的真实数据, 这使后期处理的数据完全真实可靠[2], 为建筑物建模提供了一个全新的技术手段[3]。为此, 本文采用车载移动激光扫描车, 以郴州市某单位建筑物为例, 详细介绍了高精度三维建模的技术流程, 阐述了利用Mapstation V8i的三维建模功能实现建筑物点云数据三维重建的结果和精度。
1 建筑物三维建模的技术流程采用车载移动激光扫描车, 对建筑物进行扫描, 实现三维建模, 其技术流程如图 1所示。
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| 图 1 技术流程图 Figure 1 Technology Flow Chart |
2 建筑物三维建模与结果分析 2.1 数据采集
数据采集所用移动测量系统采用的是加拿大Optech公司研发的车载移动激光扫描车。这套设备配备有1套惯性导航系统(INS),2个激光扫描器(LiDAR), 2套天宝GPS(全球定位系统)接收机, 2个摄像头和一个主控制器等。其中惯导系统与GPS系统共同组成位置姿态测量系统(POS系统), 用以获取某时刻车辆所处的位置及平台的姿态等信息, 即车辆运行过程中的实时的俯仰角、航向角、翻滚角等。在出现GPS卫星信号失锁或遮挡物较多使系统不能精确定位时, 系统可以结合惯导测量单元维持一定的精度, 保证车辆能够不间断的测量。
2.2 点云预处理1) 解压数据。从作业硬盘里解压出原始的激光点数据。
2) 处理POS数据。使用POSPac MMS软件加载车载POS数据和基站GPS数据, 解算出高精度的车载轨迹线, 并输出带坐标的点云数据。处理过后可以得到如图 2至图 4所示高程方向、E方向和N方向的位置中误差。
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| 图 2 高程中误差 Figure 2 Errors in the Elevation |
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| 图 3 E方向中误差 Figure 3 Errors in the East |
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| 图 4 N方向中误差 Figure 4 Errors in the North |
在获取三维数据的过程中, 由于扫描仪本身的缺陷或者扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩, 使数据存在很多噪声数据[4], 因此需将噪声点以及遮挡物去除, 尽量得到建筑物的正确数据。
在城市中采集数据还存在GPS信号不稳定的情况, 所以还需要将多次获取的点云配准[5], 以获得较精确的点云模型。
2.3 三维模型从建模技术上可以分为几何形态建模(见图 5)和纹理映射建模(见图 6)两种[6]。利用Mapstation V8i中的三维建模功能实现几何形态建模。首先使用已有的测绘成果(比如1∶500地形图)作为建筑轮廓, 如果没有, 则依据点云绘制建筑轮廓；然后依据点云所呈现的建筑各部位的细节从下至上创建三维模型, 逐步完成建筑模型。
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| 图 5 几何形态建模 Figure 5 Geometry Modeling |
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| 图 6 纹理映射建模 Figure 6 Texture Mapping Modeling |
对于部分反射强度低或者有遮挡物的地方, 结合照片精确描绘。
对于外业拍摄的纹理, 截取部分干净的墙体或窗户, 对空调等物体遮挡或在被树木遮挡的地方按比例放置窗户等；对遮挡处模糊处理, 并用3dsMax8完成纹理映射建模。
2.4 模型精度分析依据《三维地理信息模型数据产品规范》[7], 一级模型的平面精度为0.3 m, 高程精度为0.5 m。纹理须与实际一致, 须保持其大小比例协调。为保持协调统一, 门、窗、橱窗等的开、关方向须保持一致。本次建模使用1∶500地形图作为建筑物轮廓, 因此平面精度符合规范要求。
若依据点云绘制建筑轮廓, 则要求绘制的轮廓完整、形状规范, 保证最后建筑模型的外观效果。
利用高精度点云中可计算出该楼主体高度为38.14 m, 而图 7所示该楼模型主体高度为38.314 m, 完全符合一级模型高程精度的要求。
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| 图 7 模型精度分析 Figure 7 Model Accuracy Analysis |
2.5 优缺点分析
在数据获取方面, 与传统方法相比, 例如用数字摄影测量获取三维空间数据的方法去建模[8, 9], 移动测量的优点在于获取数据更加快捷, 省去了整个航测流程, 可直接获取建筑高度信息。同时地面移动测量比较明显的缺点是数据采集受地形制约, 测量车不能到达和遮挡较多的地方, 获取完整数据会很困难。
在数据质量方面, 与现在流行的倾斜摄影建模[10, 11]相比, 地面移动测量的优点在于获取的建筑整体信息丰富且精确, 除了建筑整体形状及高度信息外, 还可以获取建筑立面的细节, 倾斜摄影在细节上是达不到精细建模的要求的。
在纹理采集方面, 虽然移动测量采集车可同时采集影像, 但其清晰度、完整度不满足建模纹理要求, 需要人工到现场拍照取纹理；而倾斜摄影数据包含有建筑侧面纹理信息, 由于是在空中俯视状态下拍摄, 建筑立面纹理较好, 而靠近地面附近的建筑的纹理缺乏。
3 结束语移动测量技术给建筑物建模数据的获取提供了一个很好的途径。本文简述了移动测量技术在建筑物建模方面的应用方法以及其优缺点。实验表明, 该技术的应用重点和难点是在城市中如何获取完整并且高精度的建筑物点云数据。因此, 迫切需要关于移动测量技术更全面、更深入的研究来解决这些问题, 以建立更加精细化的三维城市建筑物模型。
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