基于激光雷达测量技术的昆明市城区“数字城市”空间数据采集项目

§7.4　基于激光雷达测量技术的昆明市城区“数字城市”空间数据采集项目

7.4.1　项目背景

近年来，昆明市大力推进信息化建设，全面开展“数字昆明”建设。昆明市基础地理信息资源库目前已完成区内各类比例尺空间基础地理信息成果的建设并实现入库管理，初步建成了“数字昆明”的框架体系。为进一步提升空间信息资源对昆明城市现代化建设的服务能力，昆明市测绘研究院与广西桂能信息工程有限公司紧密合作，率先采用国际先进的机载三维激光雷达测量技术对昆明市城区进行全三维高精度数据采集，全力打造“三维数字昆明”。

该项目目标为对昆明市主城区100平方公里范围，获取高精度激光数据和数码影像，为构建城市三维空间基础数据平台提供高精度DEM、0.1m高分辨率DOM、建筑物真实纹理的三维模型数据以及独特的可量测斜片成果。

7.4.2　作业区概况

作业区位于昆明市城区，地理位置为北纬24°51'～25°10'，东经102°39'～103°00'，整个测区平均海拔在1 900m左右，测区区域如图7-4所示。

图7-4　数字昆明城市航摄区域示意图

7.4.3　航测作业情况

该项目采用广西桂能信息工程有限公司LiteMapper-5600型机载激光雷达测量系统，其激光扫描仪脉冲频率最高可达10万Hz，能够接收无穷次回波，系统集成的航空数码相机像素为2 200万，镜头焦距为100mm。为实现同步采集高分辨率建筑物侧面影像，经设备功能集成扩展和改装，在硬件上通过搭载2个或4个呈45°倾角的高档专用数码相机，相机像素为1 670万，焦距为70mm。在软件上对数据采集控制系统软件进行功能扩展，使其在控制激光雷达测量系统的同时，能同时控制倾斜数据相机，实现同步采集建筑物四面侧面纹理，这样就解决了通过一次航飞即可以获取构建城市三维模型所需的所有数据来源:激光点云、正射影像和建筑物侧面纹理。

该项目采用了两个倾斜相机获取侧面影像，其安装示意图如图7-5所示。

图7-5　倾斜相机安装示意图

因采用两个倾斜相机，为采集城市建筑物四面纹理影像，因此在航摄时设计了南—北、东—西两个方向各36条航线，如图7-6所示。像片航向重叠度为60%，旁向重叠度为30%。

图7-6　南—北、东—西向航线设计示意图

如图7-7所示，该项目在昆明机场草坪架设一台GPS设备在航摄期间进行同步观测，同时直接利用昆明的四个永久性GPS观测站数据。昆明机场的控制点与四个永久观测站联网观测，进行联合平差获得。

航空摄影从2007年12月正式启动，历时54天全部完成，总飞行时间80h，比航摄设计阶段预计的25h翻3倍多，主要是受民航密集航班飞行影响。

图7-7　GPS基站摆设示意图

7.4.4　航摄质量控制

航摄质量控制措施包括飞行控制措施、飞行准备和地面测试、航线弯曲度和航高控制措施、航向和旁向重叠度控制措施、影像色彩质量控制措施，详细内容参见本书第4章。

7.4.5　数据处理

1.用于平面及高程系统转换的控制点

控制点由客户提供，用于该项目作业及成果从WGS84坐标系统转换到1987昆明坐标系统，大地高程转换到1985国家水准高程。

2.GPS数据处理

(1)地面GPS基站

本项目有机场GPS站和4个永久性GPS地面站总共5个的基站数据。

(2)GPS差分解算

利用GPS精密解算软件，基于地面基站点的已知坐标，对机载GPS观测数据和地面基站GPS观测数据进行联合差分解算，得到机载GPS接收机在每个观测时刻的WGS84空间坐标系坐标。

所有架次飞行时间段基站GPS数据质量都非常好，特别是永久性地面跟踪站的数据质量很稳定。项目采用5基站数据联合解算，确保使用最优解算结果。

(3)IMU/DGPS联合处理

差分解算成果联合IMU数据进行处理，获得机载IMU的航迹线，即每个观测时刻的空间位置和姿态。进行偏心向量改正后获得激光扫描仪和航空相机各自的航迹线。

3.激光数据处理

(1)激光点大地定向

基于激光扫描仪的航迹数据文件，对每个激光点进行运算处理，得到每个激光点的空间坐标。

(2)坐标转换

根据已知控制点数据解算出坐标系统转换参数，对所有激光数据进行处理，从WGS84坐标系转换到1987昆明坐标系，高程也做对应转换。

(3)激光数据分类

因为要获得的最终成果是数字地面模型，即只需要地面的激光点数据，因此需要把激光点云中的地面和非地面激光点进行分类。

使用广西桂能信息工程有限公司自主研发的激光分类专业软件进行激光分类处理。在进行分类前，需要对激光数据进行去噪处理，剔除错误点、高程异常点，如特别高的点(空中飞行中的鸟或杂质)。对激光数据运行特别录制的批处理命令(宏命令)，由软件自动进行分类，能达到90%以上的分类准确率。然后人工交互对自动分类后的数据进行检查和进一步分类。该人工交互时间在整个生产时间中占有较大比重。

(4)生成数字高程模型(DEM)

基于分类后的地面激光点数据，构建不规则三角网;基于不规则三角网生成最终的数字高程模型成果(DEM)。

4.影像数据处理

(1)影像格式转换

把数码航片影像文件从原始的fff格式转换成通用的TIF格式，软件在转换格式的同时可以进行统一的色彩调整。

(2)航迹坐标转换

把相机航迹数据从WGS84坐标系转换到1987昆明坐标系，从大地高程转换到1985高程。

(3)航片外方位元素

根据每张航片曝光瞬间的GPS时间信息和航迹数据，即刻得到每张航片的六个外方位元素:X、Y、Z、ψ、ω、Κ。

(4)生成数字正射影像(DOM)

基于每张航片的外方位元素及地面激光点数据，进行单片微分纠正(倾斜改正、地形纠正)，并对设定范围内纠正后的航片进行镶嵌、裁切，得到数字正射影像成果(DOM)。

5.三维模型建模

(1)建筑物简要建模

根据实际需求，对于结构细节表现、纹理效果和精度要求不高的城市建筑物，如一些要改造的旧城区、一般地区的民房、离道路较远的低矮建筑等，可以进行简要建模。具体思路为，通过专用的快速建模工具进行柱体状构建，对于一些尖顶等复杂的细小结构不作处理，忽略1m左右的建筑结构细节，如女儿墙等，其纹理数据直接使用拍摄的数据，不进行纹理的遮盖物删除、光影调整等美化处理，图7-8为对建筑物进行简要模型建模示意图。

图7-8　建筑物简要模型建模示意图

(2)建筑物细化建模

对于大部分城市建筑物，尤其是顶部建筑结构大于1m以上的，可以通过激光点云、数码影像和侧面纹理相结合进行细化建模，以使模型成果尽最大程度地表现真实建筑物结构，如图7-9所示。

图7-9　基于激光点云进行建筑物细化建模示意图

图7-10显示了通过自主开发的LiDAR Studio专用贴图软件把斜片影像进行快速纹理粘贴到建筑物模型上，最终生成真实效果。

图7-10　采用LiDAR Studio进行建筑物侧面纹理快速贴图

(3)建筑物精细建模

对于城市中一些标志性建筑物和重要建筑物，要求模型精度高、细节表现好及效果美观，可以采用地面三维激光扫描仪、数码相机近距离采集数据，结合设计图纸等资料，在专业建模工具(如3DMAX)中进行精化建模。精细模型要求建筑物主体结构突出明显，一些关键的细节如屋顶、地面一层的大门等细节要表现。建筑物纹理应使用图像处理工具进行美化，去除树木、电线杆等遮挡物，加上一定的光影效果，使模型更美观。图7-11为部分精细模型示例。

图7-11　建筑物精细模型示例

(4)三维场景整合

使用三维可视化软件DEM、DOM和三维模型等数据进行三维场景整合，用于数据的分析浏览。图7-12显示了使用DEM和DOM数据进行叠加制作基础三维地形场景。

图7-12　DEM、DOM叠加三维效果

图7-13显示了将所有建筑物模型导入三维场景中，与地形位置匹配后的效果。

图7-13　DEM、DOM和三维模型叠加效果

对于重点街道可以增加树木、电线杆、路灯及椅子等配套设施，用来美化场景，丰富三维浏览效果，如图7-14所示。

图7-14　重点场所三维场景效果图