高云龍，張 帆，黃先鋒，2，張 飛，江 宇

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079;2.測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深圳研發(fā)中心，廣東深圳510000;3.天津市星際空間地理信息工程有限公司，天津300000)

一、引 言

三維數(shù)字城市是將城市地理、資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)社情和各種社會(huì)服務(wù)等復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬仿真、優(yōu)化決策支持和可視化，在國土安全、城市規(guī)劃、市政管理等方面應(yīng)用廣泛。近年來，三維數(shù)字城市信息化工程建設(shè)已大面積開展［1-3］，而建筑物三維模型重建是其中的一項(xiàng)重要工作。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，激光掃描(light detection and ranging，LiDAR)由于可以快速準(zhǔn)確地獲取大面積對(duì)象表面密集的三維采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此日益成為建筑物三維重建的一種重要的數(shù)據(jù)源［4］。

然而，目前國內(nèi)外的大多數(shù)研究都是針對(duì)一定程度上的自動(dòng)化處理算法，并沒有形成一套完整的建筑物建模實(shí)用系統(tǒng)。只有芬蘭TerraSolid公司的TerraScan軟件具有完整的點(diǎn)云處理的航帶調(diào)整、點(diǎn)云分類、建筑物檢測等由激光點(diǎn)云重建建筑物三維模型的全部流程，可用于城市三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。但是，TerraSolid中建筑物重建算法魯棒性不高，不能自動(dòng)融合影像提供的良好邊緣信息進(jìn)行建筑物重建;同時(shí)，它包含的實(shí)用編輯工具有限，輸出成果難以滿足三維城市建模的軟件需求，從而導(dǎo)致從機(jī)載激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行建筑物三維重建人工交互工作量大、效率低下等問題。

針對(duì)目前利用激光掃描在城市三維模型重建中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種融合影像的機(jī)載激光點(diǎn)云建筑物三維重建系統(tǒng)，系統(tǒng)利用影像較好的邊緣信息和激光點(diǎn)云的面片信息，集成了基于法向分割的面片檢測算法、帶約束的空間二元分裂合并(BSP)算法，整合了模型編輯修改、模型內(nèi)部面消除、女兒墻生成、屋檐改正等工具，提供了建筑物三維模型重建的整套解決方案。系統(tǒng)以MicroStation V8i SS2(以下簡稱MS)平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合TerraSolid軟件開放的點(diǎn)云API函數(shù)接口進(jìn)行組件式開發(fā)［5-7］;利用經(jīng)典BSP算法［8］完成建筑物模型幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重建;利用MS系統(tǒng)的CAD功能開發(fā)實(shí)現(xiàn)模型后期編輯、修改工具;支持多種三維數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出。最終，完成建筑物三維模型重建。

二、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.技術(shù)流程

根據(jù)機(jī)載激光點(diǎn)云和影像的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本系統(tǒng)對(duì)建筑物三維重建采用建筑物外輪廓采集、屋頂結(jié)構(gòu)重建、模型編輯、模型導(dǎo)出4個(gè)層次的技術(shù)流程，技術(shù)流程如圖1所示。

1)多源數(shù)據(jù)融合模式下的建筑物外輪廓采集層融合點(diǎn)云和影像建立單片測圖環(huán)境，對(duì)建筑物外輪廓進(jìn)行人工采集。

2)模型屋頂結(jié)構(gòu)重建層首先采用法線分割方法［7］檢測屋頂面片和屋頂結(jié)構(gòu)線，再利用BSP算法重建屋頂結(jié)構(gòu)。

3)模型編輯層可對(duì)一些特定要求的模型和自動(dòng)生成效果不理想的模型提供系列編輯工具進(jìn)行修改。

4)成果導(dǎo)出層支持模型以多種三維格式文件導(dǎo)出。

圖1 技術(shù)流程圖

系統(tǒng)輸入原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建單片測圖環(huán)境，勾繪建筑物外輪廓。首先通過計(jì)算每個(gè)點(diǎn)局部法向量，依照法向分割方法進(jìn)行面片檢測，構(gòu)建面片間的空間關(guān)系提取屋頂階躍線和屋脊線;再通過BSP約束分割、合并面片，生成初級(jí)的屋頂面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于部分屋頂面片模型進(jìn)行特征線人工干預(yù)修正，利用影像底圖輔助編輯、增加特征線、刪除特征線、編輯特征線等功能，最后完成經(jīng)過拓?fù)潢P(guān)系檢查的建筑物模型并輸出。

2.功能設(shè)計(jì)

為了滿足測繪、規(guī)劃相關(guān)部門的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)包括單片測圖和三維模型重建兩個(gè)功能模塊，具體如圖2所示。

單片測圖模塊向作業(yè)員提供可交互編輯的環(huán)境和建筑物外輪廓采集工具，主要包括構(gòu)建測圖環(huán)境、建筑物外輪廓采集和編輯功能。構(gòu)建測圖環(huán)境利用空三加密成果作為初值加上同名特征匹配解算航片的外方位元素，恢復(fù)攝影瞬間姿態(tài)，構(gòu)建透視投影模型，結(jié)合點(diǎn)云搭建單片測圖環(huán)境。建筑物外輪廓采集、編輯工具被設(shè)計(jì)為對(duì)建筑物邊界幾何信息進(jìn)行人機(jī)交互采集、編輯。

圖2 三維模型重建系統(tǒng)功能圖

三維模型重建模塊提供建筑物三維重建、屋頂結(jié)構(gòu)編輯、特色工具編輯及成果輸出功能。模塊中建模功能子模塊實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)建模算法生成屋頂初級(jí)模型，在自動(dòng)算法結(jié)果不是最優(yōu)的結(jié)果上利用增加線、刪除線、合并點(diǎn)等編輯修改工具進(jìn)行編輯;同時(shí)，模塊提供女兒墻生成、屋檐改正、內(nèi)部面消除等特色編輯功能，可滿足特定需求。最后，模塊支持DWG、OBJ、STL通用三維文件格式，以及TerraScan軟件識(shí)別的中間文件的文件格式。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.基于法向分割的面片檢測算法

屋頂面片是構(gòu)成屋頂結(jié)構(gòu)的基本元素，它的檢測是建筑物結(jié)構(gòu)模型重建過程中重要而基礎(chǔ)的工作。首先構(gòu)建三角網(wǎng)建立點(diǎn)鄰接關(guān)系;然后計(jì)算點(diǎn)鄰域法向量并統(tǒng)計(jì)，劃分不同法向的面片;接著計(jì)算相同法向點(diǎn)集到原點(diǎn)距離，分離平行面片;對(duì)于在空間中相離的同一平面上的多個(gè)面片，通過區(qū)域增長方法進(jìn)行聚類分離。最終效果如圖3所示。

圖3 面片分割效果

2.帶約束的BSP算法

BSP算法是建筑物模型拓?fù)渲亟ǖ暮诵乃惴?。在面片檢測結(jié)束后，根據(jù)空間面片之間的幾何關(guān)系獲取屋頂結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)線。利用建筑物外輪廓和檢測到的屋頂結(jié)構(gòu)線進(jìn)行空間二元分裂，分裂規(guī)則如下:

1)找到當(dāng)前多邊形內(nèi)最長的屋頂結(jié)構(gòu)線。

2)利用步驟1)結(jié)構(gòu)線分割多邊形，一分為二，將多邊形內(nèi)的線和點(diǎn)云面片按空間分配到兩個(gè)多邊形內(nèi)。

3)多邊形內(nèi)無線段時(shí)終止，否則返回步驟1)。

空間二元合并即合并空間上鄰接并且要求面片類別一致的屋頂面片，多邊形類別以內(nèi)部最多的點(diǎn)云類別標(biāo)識(shí)。至此，BSP二元分裂合并完成，建筑物屋頂初級(jí)結(jié)構(gòu)重建完畢，如圖4所示。

圖4

3.顧及建筑物矢量模型拓?fù)潢P(guān)系的無冗余模型生成方法

通過機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)檢測建筑物模型屋頂面片后，建立三維模型面片之間的空間關(guān)系，計(jì)算面片兩兩之間相鄰、相切、相離、包含、相交的不同狀態(tài)，針對(duì)不同狀態(tài)進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，從而消除模型內(nèi)部面，捏合歧義點(diǎn)，生成沒有內(nèi)部面片的建筑物模型。此方法可消除后期在模型紋理貼圖過程中的閃面、漏面、縫隙等模型拓?fù)洳灰恢碌默F(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢查

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測圖模塊和建模模塊在邏輯上是順序關(guān)系，功能上相互獨(dú)立，針對(duì)對(duì)象不完全一樣，因此系統(tǒng)由兩個(gè)不同功能的插件模塊組成并加載到MS中，這樣更有利于系統(tǒng)的模塊化管理和后期擴(kuò)展。系統(tǒng)利用NativeCode應(yīng)用程序掛接動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)形式進(jìn)行底層算法整合，采用mdl語言對(duì)系統(tǒng)主界面的菜單欄、工具條進(jìn)行設(shè)計(jì)。測圖模塊包括主菜單欄、一個(gè)地物采集工具條和一個(gè)地物編輯工具條;建模模塊由一個(gè)主菜單欄和工具欄組成。主界面如圖6所示。

圖6

五、結(jié)束語

基于MicroStation V8i SS2的機(jī)載LiDAR建筑物三維建模系統(tǒng)已初步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于激光點(diǎn)云的建筑物三維模型快速重建目標(biāo)。系統(tǒng)充分利用了點(diǎn)云高程精度高、航片中的地物邊界信息豐富的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行建模。與現(xiàn)有的商業(yè)軟件Terra-Solid生成方式相比，本系統(tǒng)支持批量重建并逐個(gè)檢查，對(duì)于建筑物復(fù)雜程度相對(duì)不高的建筑建模效率優(yōu)勢明顯。系統(tǒng)已在天津市星際空間地理信息工程有限公司多個(gè)數(shù)字城市項(xiàng)目中投入使用，經(jīng)上千平方千米的建筑物建模生產(chǎn)實(shí)踐，可滿足數(shù)字城市建筑物三維建模高程精度、平面精度，達(dá)到了作業(yè)要求，縮短了建模周期，提高了50%以上效率。

［1］肖劍平.基于MicroStation實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市3維仿真［J］.測繪通報(bào)，2002(12):46-49.

［2］郭仁忠，林亨貴.數(shù)字城市及其數(shù)字國土支撐［J］.測繪通報(bào)，2008(9):1-5.

［3］郭仁忠，陳學(xué)業(yè).數(shù)字城市測繪體系初探［J］.測繪通報(bào)，2010(6):1-4.

［4］VOSSELMANG.Building Reconstruction Using Planar Faces in Very High Density Height Data［J］.International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing，1999(32):87-92.

［5］王密，陳克明，陳少勤，等.基于MicroStation V8的立體采編系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪信息工程，2006，31(2):17-19.

［6］宋關(guān)福，王爾琪.MicroStation開發(fā)語言(MDL)應(yīng)用教程［M］.北京:科學(xué)出版社，1996.

［7］WINTER S J.學(xué)習(xí) MicroStation VBA［M］.BENTLEY軟件(北京)有限公司，譯.北京:中國水電水利出版社，2007.

［8］黃先鋒.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物重建研究［D］.武漢:武漢大學(xué)，2006.