三维建模技术
目前在数字城市中，常用的三维建模技术可分为点云三维建模、航测法三维建模、地形图精细三维建模。涉及到的关键技术包括星载、机载LiDAR技术、倾斜摄影技术、地面三维激光扫描技术、三维精细建模技术和移动测量技术。本章将具体展开介绍。
机载LiDAR
1LiDAR技术概述
LiDAR（Light Detection And Ranging），直译为激光探测与测量，俗称激光雷达，该技术集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元（IMU） /DGPS差分定位技术于一体，通过激光回波原理探测地表三维信息，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。与光学航空摄影相比，具有以下技术特点：
（1）点云密度高、植被穿透能力强、产品丰富
根据不同工程需要，可以灵活调节激光点采集间隔，目前新型LiDAR设备激光点采集间距可以达到0.15m甚至更小。LiDAR数据采集密度极大，有利于真实地面高程模型的模拟，此外由于激光探测具有多次回波的特性，激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，从而有效克服植被影响，更精确探测地面真实地形，利用获取的高密度、高精度的点云及影像数据，可以生成数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、数字高程模型（DEM， Digital Elevation Model）、数字线划图（DLG， Digital Line Graph）、数字正射影像（DOM， Digital Ortho Map）等多种产品。
（2）点云精度高、野外控制少、不受阴影和太阳高度角影响
与传统航摄不同，LiDAR数据的高程精度不受航飞高度影响，加上LiDAR配置的高精度姿态测量系统，采集的每个激光点都带有真实的三维坐标信息，即使在没有地面控制点的情况下，也能达到较高的定位精度。同时LiDAR技术以主动测量方式，不依赖自然光，因而LiDAR不受太阳高度角以及传统航测方式无能为力的阴影地区影响。
正因为上述特点，LiDAR技术使人们从传统的单点数据获取进入到连续自动数据获取，不但提高了区域观测的高程精度和速度，获取地表物体的垂直结构形态，而且配合地物的影像或红外成像结果，增强了对地物的判读能力，在数字城市的三维建模等领域具有广阔的发展和应用价值。
2LiDAR技术国内外现状及趋势
目前LiDAR应用主要集中在机载LiDAR上，机载LiDAR是一种安装在航空飞行器（飞机、飞艇）上的机载激光探测和测距系统，作为一种主动式对地观测系统，于九十年代初首先在西方国家发展起来并投入商业化应用。截至2001年7月全球约有75个商业组织使用60多种类似的系统，从1998年起，以每年25％的速度递增。加拿大Optech公司生产的ATLM和SHOALS、瑞士Leica公司的ALS5O、瑞典的TopoEyeAB公司生产的TopEye、德国IGI公司的LiteMapper、法国TopoSys公司的FalconⅡ等是当前较成熟的商业系统。LiDAR技术在国外的发展和应用已有十几年的历史，我国在这方面的研究和应用还只是刚刚起步。在国家863计划的支持下，中国科学院遥感应用研究所等研究的机载三维成像系统于1996年完成了第一台线扫描原理样机的研制，该系统有别于目前国际上流行的机载LiDAR系统，它将激光测距扫描仪与多光谱扫描成像仪共用一套扫描光学系统，从而保证地面的激光测距点和图像上的像元点严格匹配，即在获取地面点的图像同时还获取该点到成像仪的激光距离值。针对不同的应用领域及成果要求，目前结合灵活的搭载方式，机载LiDAR技术广泛应用于基础测绘、道路工程、电力电网、石油管线、海岸线及海岛礁、数字城市等领域，提供高精度、大比例尺（1∶500至1∶10000）的空间数据成果。
此外，由于LiDAR产生的数据量非常巨大，现有的测量软件很难适应处理如此大量的数据，因此，需要特殊的专业软件来处理。目前处理此类数据主要芬兰Terrasolid公司的TerraModeler、TerraScan和TerraPhoto软件进行处理三维坐标数据和影像数据。其中TerraScan软件能装载和处理大量的激光扫描测距数据，根据激光点的坐标、光强等信息将大量激光扫描测量数据进行分类，并利用鼠标编辑图形，从不同角度观察图形。TerraModeler软件是用来生成和处理各种表面的，可用来计算体积、面积，生成等高线、轮廓线，洪水淹没计算。TerraPhoto软件是用来处理原始数码航空影像的，将飞机的飞行数据文件（包括飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等数据）、影像数据文件及地面数字模型文件输入系统，并根据这些数据进行全自动空三平差、镶嵌，形成彩色正射影像图（DOM）。
3在数字城市中的应用
由于机载LiDAR点云可获取DSM、点云密度大、精度高，非常适合构筑物三维建模，同时还可同步获取DEM和DOM，方便地面模型与构筑物模型连接以及纹理贴赋，因此可为数字城市高精度三维建模和模型分析提供数据源。具体应用包括：
（1）三维建模
DEM建模：LiDAR获取的DEM产品可直接用于地面三维建模，并可与其他建筑物、道路模型无缝相接。
植被建模：LiDAR产品通过点云分类获取植被层，可用于植被精细建模、制作植被模型。精确的植被模型可以在单个树木分析的基础上，确定单个树高、平均树高、木材体积、平均密度、每平均生长体积。
建筑物建模：LiDAR产品通过点云分类获取建筑物层，可用于建筑物规则化、制作楼顶纹理、重建建筑物模型。
交通和附属设施建模：LiDAR产品可重构高速公路、铁路和其周围的环境，并利用影像数据恢复高压电塔、电线等周围地物的实际场景。
（2）模型分析
线路及通道工程设计：在数字城市模型分析中，LiDAR模型产品可用于视域线的决定、管道倾斜度的决定、开方量的评估、植被和地物净空的决定，并可利用模型数据评估高速公路的质量、展示重要细节以计划重建和修复任务，与设计方案进行比较。
电力线路设计：LiDAR模型产品可为电力线路运行管理提供准实时高精度的三维数据，为电力线路设计实时提供高精度的断面，一方面减少外业工作量，一方面可以精确测量线路走廊内危险点的距离。
灾害模拟和评估：LiDAR三维建模结果可用于水灾、地质灾害地区的复原和环境保护、获得排水路线、堤防的监控、洪水流向的模拟、对灾害进行计划预防、水压和水文测量，通过DEM精细建模，可以快速判断容易发生崩塌滑坡的边坡三维形变，检测边坡位移、形变量，检测灾害点边坡健康状况，以及潜在滑坡区域受损后的风险性和形变发展趋势，对已滑坡地段其受损后的形变发展趋势进行预测，指导灾后恢复、重建的规划、滑坡风险评价等。
倾斜摄影技术
1.倾斜摄影技术概述
近年来，国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来，发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术，简称倾斜摄影技术。倾斜摄影技术颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个不同的角度采集影像。由此获得的倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，而且还能利用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息。倾斜摄影技术弥补了正射影像的不足，通过整合POS、DSM及矢量等数据，进行基于影像的各种三维测量，同时基于人眼视觉适合于观察倾斜透视像片的特点，倾斜影像测量技术更适合于网络环境应用（李镇洲等，2012）。机载多角度倾斜摄影测量系统是新一代摄影测量系统。其主要内容包括倾斜摄影数据获取技术和相应的数据处理技术。该系统数据获取部分一般由5个数码相机组成，包括1个垂直摄影相机和4个倾斜摄影相机，系统还可将摄影相机与机载GPS接收机、高精度IMU进行高度集成。摄影相机用来提供影像信息，而GPS、IMU则分别提供位置和状态信息。通过进行倾斜摄影空中三角测量处理可为每张影像提供位置姿态信息用于后续的数据处理。
2.倾斜摄影国内外现状及趋势
国外方面，在20世纪90年代就开始了对倾斜摄影测量系统的研究，目前该技术正成为研究的热点和市场的应用方向。国外倾斜摄影系统主要分3 种类型: 扇形布局、块状布局和马耳他十字形布局。扇形布局主要用于勘察，块状布局主要用于测图和监察，马耳他十字形布局用于可视化、测图和解译。美国Pictometry公司是世界上最早研究倾斜摄影技术的公司，目前Pictometry公司的倾斜摄影系统已在北美、欧洲得到广泛的应用，该系统所具有的特点对人们使用地理空间信息的方式产生着很大的影响。它在美国的早期成功是用于突发事件方面的应用，而真正的发展始自于与微软的合作，并被集成进微软公司开发的BinMAPS之中。在欧洲市场，2005年，欧洲的Blom Group（布姆集团）与Pictometry公司签署了一份独家协议，利用Pictometry公司系统进行12个国家的倾斜摄影应用。该项目覆盖西欧人口超过5万的所有城镇、80％的人口、大约1000个城市。Pictometry公司的欧洲项目图像分辨率为10cm～12cm，位置精度约0.5m（王伟等，2011）。在系统组成方面，美国Pictometry公司的航控倾斜摄影系统采用5 镜头，Trimble 公司推出了一款由三个相机组成（一个垂直和两个倾斜相机）的航空倾斜摄影系统，并在相机几何和数据处理方面展开了深入研究。国内方面，国内测绘行业在2010年首次引进倾斜摄影技术（田野等，2013），随后刘先林院士研制SWDC-5 倾斜摄影系统，通过同一飞行平台、5 个视角对地进行拍摄，该系统已成功地应用到平顶山试验中，成为国内的航空倾斜摄影相机的一大突破。
3.在数字城市中的应用
倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来倡导使用的一项高新技术，它颠覆了以往影像只能从正摄角度拍摄影像的局限，通过在同一飞行器上搭载多台传感器，同时从一个正射、四个倾斜等五个不同的角度采集影像数据，将用户引入一个符合人眼视觉习惯的真实且直观的世界。相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察被制作建筑，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像分析应用的不足。倾斜摄影测量不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地提高了航空影像处理的速度。倾斜影像技术的引进和应用，使目前高昂的三维城市建模成本大幅降低，大大提高三维城市建模的速度，它将开辟摄影测量与遥感应用的新领域，提高我国数字城市建设的基础数据获取效率（李祎峰等，2013）。
图文摘录于《走向大数据——从数字北京到智慧北京》一书
如需本书，请在微信平台留言联系我们
