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摘要：激光雷达是获取地面三维信息的一种新的测量技术，能够快速高效采集大范围区域的地表信息，为数字城市构建提供基础数据，采用主流的TerraSolid和3dMax软件，阐述城市建筑模型构建的三种方法，并结合具体数据进行对比分析，提供一种有效提高实际城市建模精度和速度的方式。
关键词：数字城市；激光雷达；三维建模；TerraSolid
中图分类号： O434 文献标识码： A
前言
激光雷达(LiDAR，Light Detection And Ranging)在测量中的应用越来越广泛，它能快速准确地获取地面的三维数字信息，因而为快速建立复杂物体的空间框架提供了一种便捷手段。本文重点研究激光点云数据在快速构建三维模型中优势，采用MicroStation软件环境下的TerraSolid工具，并结合主流的3dmax建模软件，通过三种方法的对比研究，分析结构不同的建筑物模型的制作过程，为数字城市的建设提供快速高效的建模方法。
数据的预处理
作为一项数据采集技术，按其载体的不同，又可以分为：机载和地面（或车载）两种激光雷达数据采集系统。机载激光雷达是目前能够大规模及时获取地面三维数字信息最有效的技术手段，利用其首尾反射可以同步获得诸如地表、树高、水深等信息，在地形测绘、森林测绘、数字城市建设等领域有着广泛的应用；地面激光雷达可以对感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，能提供准确的定量分析，小型便捷、精确高效，在相关领域也开展着深入的应用研究，如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护等。
在数字城市构建中，可以结合选择车载和地面两种方式，而采集的点云和影像，是三维模型构建的支撑数据，通过前期的点云分类和影像校正，即可保证三维数字城市构建的真实
性和准确性。
点云分类
原始点云是物体三维坐标数据，是没有属性的离散点阵数据，可以采用TerrsSolid软件半自动和人工的方法进行粗差剔除、拼接、统一参考提醒、简化、分类等步骤，得到数据量小、精度高的点云，可以提取建筑物的边界信息，量测高度，计算面积体积，并可以构建数字表面模型，更直观体现城市场景。如下图为按航带显示的原始点云、建筑分类后点云、点云截面及数字表面模型。
影像校正
原始影像是通过内置的数码相机获取的，需将不同视角的影像借助于重叠信息融为一体，即通常所说的“空三加密”，得到正射影像，更直观真实的表现建筑物的外观信息，提高模型建立的准确性。
为了更全面地采集城市建筑的外观信息，可以结合机载雷达和车载雷达的优势，分别获取建筑物顶部和侧面信息，提供全方位的影像资料。
基于点云数据的三维建模
采用TerraSolid构建模型
TerraSolid 系列软件是由芬兰TerraSolid公司开发，运行于Microstation系统之上一套商业化LiDAR数据处理软件，主要包括TerraMatch、TerraScan、TerraModel、 TerraPhoto等模块，也是目前国内应用较多的主流软件之一。
三维建模主要采用TerraScan工具，基于面片方式构建模型，必须进行点云分类，精确分出地面点和建筑物点，建筑模型底面以地面点为准，顶面以屋顶点为准，即可自动建立模型。
单一模型建立（Construct Planar Building）
该方法主要应用于结构复杂的建筑，顶部有老虎窗、电梯间、水箱等较多附属和装饰，首先基于点云生成主体框架，接着进行修改编辑，阳台的添加修改，面片的拼接切割，边界线点的移动删除，最后确定整体建筑模型。
图 31 单一模型建立
Fig 31 construct planar building
复杂建筑模型的修改编辑，需要参考影像和点云，进行屋顶面片的合并切割删除，屋脊结构线的调整，老虎窗等附属的逐一修改，方可构建真实的三维模型。
图 32模型修改工具
Fig 32 building editor tools
图 33 单一建筑模型
Fig 33 single building model
批量模型建立（Check Building Models）
该方法主要应用于结构简单的建筑，顶部为平顶或斜顶，易于批量生成，模型生成后，可以采用修改编辑工具进行细部结构的调整。
图 34 批量模型建立
Fig 34 vectorize buildings
图 35 模型修改工具
Fig 35 building editor tools
图 36批量建筑模型
Fig 36 batch building models
采用3dMax构建模型
该方法主要应用于标志性建筑，屋顶层次混乱，装饰物较多，需要独立精细建模。首先基于点云提取建筑底面，确立模型位置和结构，接着通过TerraScan进行量取建筑的长宽高等基本数据，最后导入3dMax中进行精细模型建立。
图 37勾画建筑底面工具
Fig 37 polygons
图 38建筑要素构建和数据量取
Fig 38 building feature construction and measuration
数据实验
为了验证技术方法的适用性，特选定某市建成区部分区域作为实验区域，通过几种方法的比较，进行功能实用性及效率测试分析。根据建筑类型选定10 km2范围进行建模实验，其中一类建筑面积6 km2，占总面积的60%，平顶、斜顶、阶跃型屋顶居多，屋顶结构主要有电梯间、水箱、老虎窗等，主要为居民区，是城市建筑的主要类型；二类建筑面积1 km2，占总面积的10%，主要集中在城市外环线附近，为一层平房或斜顶房屋，结构简单，易于批量生成；三类建筑面积3平方公里，占总面积的30%，屋顶层次混乱，装饰物较多，结构复杂；主要为商业楼和别墅建筑。
图 41 三类建筑影像
Fig 41 building images
图 42 三类建筑模型
Fig 42 building models
表 41实验结果
Table 41 experiment result
建模方式 建筑类型 实验面积（km2） 需要工时（h/ km2）
单一建模 一类建筑 6 80
二类建筑 1 17
三类建筑 3 163.3
批量建模 一类建筑 6 41.7
二类建筑 1 5
三类建筑 3 170
3dMax建模 一类建筑 6 100
二类建筑 1 20
三类建筑 3 180
通过分析数据，在保证模型的平面精度和高程精度小于50cm，可以明显看出每种方法的工作效率，在实际工作中，我们针对不同的建筑类型，结合应用三种方法，一类和二类建筑采用批量建模，三类建筑采用单一建模，这样工作效率提高约1.8倍（80/41.7*0.6+17/5*0.1+170/163.3*0.3）；而3dMax在兩个软件间切换量测，效率较低，只能作为辅助方式，可以针对特殊建筑，点云混乱缺失的情况。
结束语
随着信息时代的进一步发展，数字城市的建设也在加快步伐，而LiDAR技术是新的获取数据的方法，具有普通航空摄影测量无法比拟的优势，基于激光雷达的建模技术具有精度高、全覆盖、效率快等特性，有着良好的应用前景，为城市信息化的应用提供基础地理数据，现在已经由理论阶段进入了实际应用生产，必定有更广阔的发展前景。
参考文献
程亮.集成影像与LiDAR数据重建3维建筑物模型研究[J].测绘学报，2009，（04）：376.
黄金浪.基于TerraScan的LiDAR数据处理[J].测绘通报，2007年，（10）：13-16.
黄先锋.利用机载LiDAR数据重建3D建筑物模型的关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2006.
张志超.融合机载与地面LiDAR数据的建筑物三维重建研究[D].武汉：武汉大学，2010.
关键词：数字城市；激光雷达；三维建模；TerraSolid
中图分类号： O434 文献标识码： A
前言
激光雷达(LiDAR，Light Detection And Ranging)在测量中的应用越来越广泛，它能快速准确地获取地面的三维数字信息，因而为快速建立复杂物体的空间框架提供了一种便捷手段。本文重点研究激光点云数据在快速构建三维模型中优势，采用MicroStation软件环境下的TerraSolid工具，并结合主流的3dmax建模软件，通过三种方法的对比研究，分析结构不同的建筑物模型的制作过程，为数字城市的建设提供快速高效的建模方法。
数据的预处理
作为一项数据采集技术，按其载体的不同，又可以分为：机载和地面（或车载）两种激光雷达数据采集系统。机载激光雷达是目前能够大规模及时获取地面三维数字信息最有效的技术手段，利用其首尾反射可以同步获得诸如地表、树高、水深等信息，在地形测绘、森林测绘、数字城市建设等领域有着广泛的应用；地面激光雷达可以对感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，能提供准确的定量分析，小型便捷、精确高效，在相关领域也开展着深入的应用研究，如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护等。
在数字城市构建中，可以结合选择车载和地面两种方式，而采集的点云和影像，是三维模型构建的支撑数据，通过前期的点云分类和影像校正，即可保证三维数字城市构建的真实
性和准确性。
点云分类
原始点云是物体三维坐标数据，是没有属性的离散点阵数据，可以采用TerrsSolid软件半自动和人工的方法进行粗差剔除、拼接、统一参考提醒、简化、分类等步骤，得到数据量小、精度高的点云，可以提取建筑物的边界信息，量测高度，计算面积体积，并可以构建数字表面模型，更直观体现城市场景。如下图为按航带显示的原始点云、建筑分类后点云、点云截面及数字表面模型。
影像校正
原始影像是通过内置的数码相机获取的，需将不同视角的影像借助于重叠信息融为一体，即通常所说的“空三加密”，得到正射影像，更直观真实的表现建筑物的外观信息，提高模型建立的准确性。
为了更全面地采集城市建筑的外观信息，可以结合机载雷达和车载雷达的优势，分别获取建筑物顶部和侧面信息，提供全方位的影像资料。
基于点云数据的三维建模
采用TerraSolid构建模型
TerraSolid 系列软件是由芬兰TerraSolid公司开发，运行于Microstation系统之上一套商业化LiDAR数据处理软件，主要包括TerraMatch、TerraScan、TerraModel、 TerraPhoto等模块，也是目前国内应用较多的主流软件之一。
三维建模主要采用TerraScan工具，基于面片方式构建模型，必须进行点云分类，精确分出地面点和建筑物点，建筑模型底面以地面点为准，顶面以屋顶点为准，即可自动建立模型。
单一模型建立（Construct Planar Building）
该方法主要应用于结构复杂的建筑，顶部有老虎窗、电梯间、水箱等较多附属和装饰，首先基于点云生成主体框架，接着进行修改编辑，阳台的添加修改，面片的拼接切割，边界线点的移动删除，最后确定整体建筑模型。
图 31 单一模型建立
Fig 31 construct planar building
复杂建筑模型的修改编辑，需要参考影像和点云，进行屋顶面片的合并切割删除，屋脊结构线的调整，老虎窗等附属的逐一修改，方可构建真实的三维模型。
图 32模型修改工具
Fig 32 building editor tools
图 33 单一建筑模型
Fig 33 single building model
批量模型建立（Check Building Models）
该方法主要应用于结构简单的建筑，顶部为平顶或斜顶，易于批量生成，模型生成后，可以采用修改编辑工具进行细部结构的调整。
图 34 批量模型建立
Fig 34 vectorize buildings
图 35 模型修改工具
Fig 35 building editor tools
图 36批量建筑模型
Fig 36 batch building models
采用3dMax构建模型
该方法主要应用于标志性建筑，屋顶层次混乱，装饰物较多，需要独立精细建模。首先基于点云提取建筑底面，确立模型位置和结构，接着通过TerraScan进行量取建筑的长宽高等基本数据，最后导入3dMax中进行精细模型建立。
图 37勾画建筑底面工具
Fig 37 polygons
图 38建筑要素构建和数据量取
Fig 38 building feature construction and measuration
数据实验
为了验证技术方法的适用性，特选定某市建成区部分区域作为实验区域，通过几种方法的比较，进行功能实用性及效率测试分析。根据建筑类型选定10 km2范围进行建模实验，其中一类建筑面积6 km2，占总面积的60%，平顶、斜顶、阶跃型屋顶居多，屋顶结构主要有电梯间、水箱、老虎窗等，主要为居民区，是城市建筑的主要类型；二类建筑面积1 km2，占总面积的10%，主要集中在城市外环线附近，为一层平房或斜顶房屋，结构简单，易于批量生成；三类建筑面积3平方公里，占总面积的30%，屋顶层次混乱，装饰物较多，结构复杂；主要为商业楼和别墅建筑。
图 41 三类建筑影像
Fig 41 building images
图 42 三类建筑模型
Fig 42 building models
表 41实验结果
Table 41 experiment result
建模方式 建筑类型 实验面积（km2） 需要工时（h/ km2）
单一建模 一类建筑 6 80
二类建筑 1 17
三类建筑 3 163.3
批量建模 一类建筑 6 41.7
二类建筑 1 5
三类建筑 3 170
3dMax建模 一类建筑 6 100
二类建筑 1 20
三类建筑 3 180
通过分析数据，在保证模型的平面精度和高程精度小于50cm，可以明显看出每种方法的工作效率，在实际工作中，我们针对不同的建筑类型，结合应用三种方法，一类和二类建筑采用批量建模，三类建筑采用单一建模，这样工作效率提高约1.8倍（80/41.7*0.6+17/5*0.1+170/163.3*0.3）；而3dMax在兩个软件间切换量测，效率较低，只能作为辅助方式，可以针对特殊建筑，点云混乱缺失的情况。
结束语
随着信息时代的进一步发展，数字城市的建设也在加快步伐，而LiDAR技术是新的获取数据的方法，具有普通航空摄影测量无法比拟的优势，基于激光雷达的建模技术具有精度高、全覆盖、效率快等特性，有着良好的应用前景，为城市信息化的应用提供基础地理数据，现在已经由理论阶段进入了实际应用生产，必定有更广阔的发展前景。
参考文献
程亮.集成影像与LiDAR数据重建3维建筑物模型研究[J].测绘学报，2009，（04）：376.
黄金浪.基于TerraScan的LiDAR数据处理[J].测绘通报，2007年，（10）：13-16.
黄先锋.利用机载LiDAR数据重建3D建筑物模型的关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2006.
张志超.融合机载与地面LiDAR数据的建筑物三维重建研究[D].武汉：武汉大学，2010.