利用机载激光雷达数据建立三维城市模型

6.3.5　利用机载激光雷达数据建立三维城市模型

城市作为人类生活和工作的重要场所，是经济、社会发展的中心。现在城市发展更是日新月异，人们迫切需要快速了解城市的现状信息。随着计算机技术的发展，人们对地理信息系统的需求越来越高。特别是对城市规划部门而言，其传统的2D符号表现形式已不能满足人们的需要。由于城市建筑物三维景观模型能够再现城市建筑环境，用户不仅可以在计算机屏幕上看到一幅幅生动逼真的建筑模型，而且可以进行查询、量测、漫游等一系列操作，因此在城市GIS中有重要意义。

在实际应用中，“数字城市(CyberCity)”的建设对市政、规划、交通、旅游、电信、环保等行业日益重要，而建筑物的三维几何模型正是CyberCity中最为基础的信息。城市数字表面模型信息是反映城市信息的重要信息之一，因为城市DSM是城市三维模型的展示。城市DSM可以广泛应用于城市规划和设计、城市气候的研究、污染控制和环境保护、移动通讯网站的布设、城市光照研究、城市化进程的监测以及城市现代化管理，它是虚拟城市所必要的信息之一。要获得城市的三维模型包括侧面纹理，并不是一件容易的事情。一方面，支持建筑物提取的原始数据越来越丰富，从航空影像到高分辨率的遥感影像，还有机载激光雷达、InSAR。另一方面，目前要快速精确地从获得的三维地理信息数据库中提取所需要的数据仍然是一件非常费时费力的工作。人们认识到，由于问题的难度，从影像自动检测到三维建筑物重建还有很长的路要走(Gruen，1998b)。

从传统的航空影像中自动识别和重建建筑物的难点主要表现在以下几个方面。

(1)二维图像上缺乏直接的三维信息。实际上，从三维世界投影到二维图像本身丢失了很多信息，这成为建筑物自动识别和重建的主要障碍之一。

(2)航空影像在不同条件下的差异。不同的比例尺、不同的传感器性能(几何与光谱特性)、不同的成像条件(天气和光照等)导致影像的差异。

(3)建筑物的结构、材料有时非常复杂和不同，分布、大小、方向都难以预测。如欧洲的房屋多为尖顶，而且局部细节很多，而美国的房子方盒形比较常见，这就给建筑物的描述和建模带来一定的难度。

(4)建筑物所处的人工环境和自然环境也很复杂，如既有树木等植被，又有车辆、道路、桥梁等其他的人工地物，这都是所谓的非结构化(Unstructured)目标，导致场景中建筑物与非建筑物的区分非常困难。

(5)由于其他建筑物的遮蔽、阴影等影响，建筑物的局部常被遮挡，常常导致提取的特征不足以获得建筑物存在的线索，从而给三维重建带来困难。

机载激光雷达测量技术的出现有望在建筑物的三维重建方面产生突破。高精度、高分辨率的机载激光雷达数据不仅提供场景表面细致的三维信息，同时还能提供一定波谱的强度信息，这将在很大程度上改变传统通过航空影像进行建筑物三维重建的局限性。

这里只对城市三维建模作简要介绍。首先根据分割后的激光脚点数据确定建筑物的平面位置，然后通过平面匹配等过程重建出建筑物顶部的结构模型。建筑物的侧面纹理由数字相机获得，而建筑物的顶面纹理则由航空遥感数据获得，对于无法获取的纹理信息，可简单地以人工纹理或某一颜色表示。图6-27给出了利用机载激光雷达数据获取的初步三维城市模型(未贴纹理)。

图6-27　利用机载激光雷达数据建立三维城市模型