利用ArcGIS从航空激光雷达数据构建三维城市模型的方法

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1、测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 1利用 ArcGIS 从航空激光雷达数据构建 三维城市模型的方法武继广 张爱武 蔡广杰 段文国 戴玉成 (首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京 100037) 摘 要：LIDAR技术可以快速的获取地表的高精度三维点云数据，在三维城市模型(3DCM)的构建等许多领域有着越来越广泛的应用。 本文利用常熟市的航空激光雷达数据及其遥感影像作为基本数据源，提出将激光数据跟可见光数据融合的思想对地物分类，采用成熟的建模理论和高品质的ArcGIS三维（3D）模块ArcScene,实现了对常熟市城市模型的建立及可视化，并指出了ArcScene在构建三维城市模

2、型上的局限性及解决的办法。 关键词：激光雷达数据 Tin 影像 三维模型 前 言 在三维城市模型中包含许多类物体如:地形、道路、河流、树木、建筑物等。其中最重要的两类是地形和建筑物。如何对两者进行真实的模拟成为数字城市建设的关键。本文首先对地形模型及典型的三维静态实体模型的构建方法做了一些论述。然后在综合分析各个数据模型的基础上，提出了采用不规则三角网(Tin)与结构实体几何模型（CSG）的集成方法来表达城市三维模型。 将激光数据进行滤波，分类出地面和地物，把lidar数据和航空影像，多光谱影像进行融合，利用lidar数据的高程信息和遥感影像丰富的光谱和纹理信息来进行地物的分类和提取，并利用高

3、品质的GIS三维模块ArcScene, 从航空激光雷达数据建立城市三维模型，实现对城市的近似描述,为三维景观的建立提供了一个很好的方法。也为我们进一步完善城市的三维模型提供了思路。 一、三维城市模型的构造方法 在三维城市模型中包含许多类物体如:地形、道路、河流、建筑物等。其中最重要的两类是地形和建筑物，本文主要阐述地形、建筑物的模型构造方法。 1.1 地形模型的典型构造方法 目前对于地形模型的构造有许多方法:规则格网法(Grid)、不规则三角网(Tin)和混合法(GridTin)等。 1.1.1 规则网格法 规则网格法是将地表剖分为多个规则的网格，然后用相应的网格描述表面。规则网格，通常是正方

4、形，也可以是矩形、三角形等规则网格。构建DEM的整体思路是首先在二维平面上对研究区域进行格网划分，形成覆盖整个区域的格网空间结构，然后利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值，即采用少数采样点的数据插出待插点的高程。每个格网单元对应一个高程值。内插的方法很多，如：加权平均法、线性内插法、移动拟合法、最小二乘配置法。规则网格法的优点是数据结构简单，易于构网，数据存储量小，利于地形分析和制作立体图1。不利之处是往往存在数据冗余，尤其是在地势起伏较大的地区。 作者简介：武继广，男，1983年3月出生，汉族，山东人，硕士研究生，研究方向：三维信息获取与三维可视化。 张爱武 (1972-)

5、,女,教授,研究方向：三维信息获取与处理、计算机视觉与模式识别、三维可视化。 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 21.1.2 Tin表面法 Tin是一种利用从离散的不规则分布的数据点生成连续的三角形面片来构造地形模型的方法。本文采用Delaunay三角剖分的方法。这种方法被用来构造模型的基本三角单元，并确定这些三角单元之间的拓扑关系。Tin表面法的特点是将某个区域中随机分布点以某种相对合理的方式连系起来，建立形态上较为完美和功能上较为完善的三角形网络，并能以不同层次的分辨率来描述地形表面。Tin表面法是表面描述方法，其数据量和运算量远远小于体描述方法。它描述地面的真实性由地形点的密度决定，适

6、合于地形较为复杂的地区，具有较高的精度，可模拟复杂的地形表面，其缺点在于存储量较大2。 1.2 建筑物模型的构造法CSG模型 CSG模型，即结构实体几何模型。CSG的模型类似于机械制造法，最早由Voelcker 和Requicha提出，其原理是由简单的几何形体（如球，圆柱，圆锥等体素）通过正则Boolean运算（交，差，并）来构造复杂的三维目标。一个复杂的目标可以描述为一棵CSG树，树的叶节点为一个基本体素（记录该体素的基本定义参数）根节点和中间节点对应一个正则集合运算符，CSG树的根节点作为查询和操作的基本单元，它对应一个三维空间目标3。 CSG树描述3D空间目标的有效性取决于基本体素的有效

7、性和集合运算的正则性，可以唯一定义一个3D空间目标，并通过3D目标属性表，目标构成表（包括体素编号，所属目标，属性和类型），几何变换表（包括新建体素，基本体素，变换参数，变换类型），集合操作表（包括新建体素，两个基本体素，Boolean运算类型）体素表（包括体素编号，空间坐标和体素类型）和体素尺寸表来详细记录构成3D空间目标的所有几何信息，属性信息和Boolean运算。 二、基于ArcScene的三维城市模型的建立 ArcGIS软件不仅提供强大的GIS功能，其扩展模块中的3D分析模块ArcScene提供了基于多种数据格式的三维模型建立及显示功能。三维显示方式主要有： 基于离散数据快速建立高质量

8、的Tin和Grid； 将影像附着于Tin之上，建立2.5D地表影像； 点、线、面实体可在竖直方向上进行立体定向延伸； 点、线、面可以Tin 、Grid、2.5D地表影像为基准延伸或延伸至它们的表面； 可建立起高质量的城市模型属性数据库； 可将城市模型属性数据库中的数值信息表达为三维可视模型； 可任意调整模型在x、y、z方向的显示比例4； 提供了扩展ArcScene功能的ArcObject二次开发组件库。 2.1 地形模型的简化及表达 2.1.1 DTM 的生成流程 由于LIDAR的接受信号来源于目标表面的反射，因此得到的数据实际上是一种数字表面模型5，为了去除地形变化对地物分类的影响，在进行地

9、物分类之前，我们需要分离出地表数据点，构建DTM，数据处理的流程如下图1： 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 3图1 2.1.2 数据处理流程介绍 由于遥感影像数据跟激光数据是分别获取的，两者具有不同的坐标系统，为了便于数据的后期处理，我们需要讲两者统一到同一坐标系下，进行配准操作。 （1）DSM的生成 首先需要对对原始的激光点云数据进行重采样生成规则的距离影像，常用的插值方法有最近临插值法，样条函数插值法，距离反比插值法，克立金插值法和三角网插值法，综合运算效率和插值的效果看，我们采用三角网插值法来对点云数据进行插值。 原始激光点云数据,如图2所示，从点云要素插值生成Tin模型，如图3所示

10、。 图2（原始点云） 图3（DSM） （2）遥感影像与DSM的配准 研究中我们对坐标变换采用控制点位法，通过测定多组遥感图像上特殊地物的坐标点以及与这些坐标点相对应的DEM图像上的点的坐标，然后将测得的控制点坐标代入坐标系转换多项式方程，求出各项系数，确定坐标系转换方程。由确定的多项式转换方程，以待定的DSM图像上点的坐标为自变量，按逐个点位坐标输入方程，求出相应的坐标，然后按一定的内插方法插值求算出最适宜DSM上点的影像像素值存入DSM上。如此，最终完成整幅图像的配准校正工作。 在寻找控制点时，为了提高配准校正精度，一般应选取DSM和影像上皆清晰的道路，河流的交汇点，拐弯点，同时使采集的控制

11、点均匀分布于整个DSM图像上6。 实际上，由于判读控制点坐标时难免有误差，为了避免少数对应点的误差而影响方程的求值精度，通常采用多选控制点测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 4对，再进行方程的多次拟合分析，排除多次拟合效果差的控制点，留有效果好的控制点。最终，我们选择了残差较小的五对，链接表如图4所示。 通过表格，我们可以看到，控制点的残差均小于0.8，均方根（RMS）还不到0.5，不及半个像素的宽度，完全适合城市模型的构建研究。 完成配准后的效果如图5所示。 图4 (配准链接表) 图5 （配准显示） （3）DTM的生成 多光谱影像具有丰富的波谱信息，我们可以通过计算绿色植被指数（NDVI）来

12、对地表物进行简单的分类，对于城市而言，植被具有高的NDVI，裸地较小，道路和建筑物最小，经分类可以提取出草地，裸地等。NDVI 的定义为； NDVI=（IR-R）/（IR+R） 其中IR为近红外波段的反射值；R为红光的反射值。 然后我们从LIDAR数据上恢复这些分类出的植被，裸地等激光数据点，就可以近似的生成地势面。结合经插值所得的DSM，可以近似的得到DTM。 如图6所示。 图6(格网DEM) 2.2融合遥感影像分类提取建筑物 2.2.1 数据的处理流程 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 5得到DTM以后，利用原始点云数据插值后的DSM减去DTM，对距离影像进行规则化，得到规则化DSM（n

13、DSM），再对地物进行分类和提取。 由于遥感影像具有丰富的光谱和纹理信息，航空激光数据具有高度信息，为了能更加精确的进行地物探测和分类，本文中我们将遥感影像与规则化的格网DSM融合。数据的处理流程如图7所示： 图7 2.2.2 数据的处理介绍 （1）影像跟nDSM的融合 数据融合最早被应用于军事领域。是一个对多遥感器的图像数据和其他信息的处理过程。着重于把那些在空间或时间上冗余或互补的多源数据，按照一定的法则进行运算处理，获得比任何单一数据更精确更丰富的信息。 图像融合可在三个不同的层次上进行：一是像元（pixel）、二是特征(feature)、三是决策(decision)层7。融合的水平依次

14、从低到高。基于不同的融合层次，采用的融合方法也不相同，如像元级的代数法、IHS变换法、小波变换法、主成分变换法，特征级的聚类分析法、加权平均法，决策级的神经网络法等。 本文中我们采用基于像元的图像融合方法，采用HIS彩色技术变换方法，首先将遥感影像的可见光转换到色度饱和度数值彩色空间， 再将高分辨率的格网DEM替换数值波段，将其拉伸到01之间，以满足正确的数值范围，再将从遥感影像中获取的色度，饱和度以及从NDSM中获取的数值进行反变换，转回到RGB彩色空间。这个过程将产生一幅从遥感可见光中获得的颜色信息和从NDSM中获得的空间分辨率信息的图像。如图8所示。图像的特征信息得以增强，便于后期的地物

15、分类和特征提取。 （2） 数据的分类 经过融合后的数据具有丰富的光谱信息，纹理信息以及高度信息，我们可以根据主要地物如建筑物和树木的特征信息，如建筑物和树木具有不同的NDVI值，具有不同的面积大小，高度等来进行分类，结合航空像片的纹理信息，可以进一步完善分类的结果，减少分类误差。 2.3建筑物模型的建立 探测出建筑物区域以后，需要对建筑物进行内插，提取出建筑物的边缘轮廓，对轮廓规格化。在ArcGIS中，以Tin为基准在Z方向延伸，近似表示建筑物等三维实体的方法， 大大简化了建模，也利于模型的管理。 对于ArcGIS的GeoDatabase数据格式在ArcGIS系统中的ArcMap平台可以为这些

16、表述建筑物的图形添加属性信息，为实现3D条件下的空间查询分析作数据准备。 测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集 6将表示城市基面的Tin数据，描述建筑物、道路、河流等的点、线、面数据调入ArcScene平台。描述建筑物的数据以相应的Tin数据为高程基准，根据他们各个属性数据库中的相应的数值进行竖直方向的延伸，调整各个图形的颜色和透明率加强模型的三维视觉效果，还可以通ArcScene的符号匹配功能和影像附加提高三维模型的真实感，如图9。 图8 （融合效果） 图9（三维模型） 三、结论 基于机载激光雷达数据建立三维城市模型是当前的的一个研究热点，而数字高程模型和建筑物模型的建立是其中的两个主要的问题。本文综合国内外研究现状的基础上，提出了利用Lidar跟多光谱遥感