三维激光扫描的读书报告

1、读书报告三维激光扫描系统的方法和应用张建桃2005.7.29 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1激光扫描系统简介1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1.1概述1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.2工作原理1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.3激光雷达的测距方式1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2激光扫描技

2、术的国内外研究现状2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.1国内激光扫描技术的研究现状2 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.2国外激光扫描技术的研究现状2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2.2.1国外机载激光扫描系统的研究现状2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.2.2国外地面激光扫描系统的研究现状2 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document

3、 3机载激光扫描系统的组成3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.1空中测量平台3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 3.2激光系统3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.3姿态测量和导航系统4 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 3.4数码相机4 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 3.5摄像机组件4 HYPERLINK l bookmark49

4、 o Current Document 3.6数据处理软件4 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4激光扫描系统的数据采集和处理过程5 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 4.1数据采集5 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 4.2数据处理5 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 5激光扫描数据的精度分析6 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 5.1误差来源6

5、 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 5.1.1 GPS定位误差6 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 5.1.2姿态测量误差6 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5.1.3激光测距误差7 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 5.1.4传感器之间脉冲时序的同步精度误差7 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 5.1.5系统的集成误差7 HYPERLINK l

6、 bookmark95 o Current Document 5.1.6坐标转换误差7 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 5.1.7数据分类误差7 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 5.2提高激光扫描数据精度的一些措施7 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 6激光扫描系统的特点和应用8 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 6.1激光扫描系统的特点8 HYPERLINK l bookmark117

7、 o Current Document 6.2激光扫描技术的应用领域8 HYPERLINK l bookmark129 o Current Document 6.3激光扫描测量与近景摄影测量的对比9 HYPERLINK l bookmark135 o Current Document 7由激光扫描数据进行建筑物特征提取和重建9 HYPERLINK l bookmark143 o Current Document 8城市三维建模11 HYPERLINK l bookmark146 o Current Document 8.1城市建模的基本方法11 HYPERLINK l bookmark149

8、o Current Document 8.1.1几何建模的方法11 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 8.1.2纹理建模的方法11 HYPERLINK l bookmark155 o Current Document 8.2城市建模过程中存在的问题12 HYPERLINK l bookmark158 o Current Document 8.2.1几何建模过程中存在的问题12 HYPERLINK l bookmark161 o Current Document 8.2.2 纹理建模过程中存在的问题12 HYPERLINK l bookmark

9、164 o Current Document 8.2.3数据管理与数据压缩12 HYPERLINK l bookmark167 o Current Document 8.3城市建模问题小结12 HYPERLINK l bookmark170 o Current Document 9激光扫描系统相关问题的探讨12 HYPERLINK l bookmark173 o Current Document 9.1大气折射率的垂直分布对激光测距的影响13 HYPERLINK l bookmark176 o Current Document 9.2粗糙目标对系统探测性能的影响13 HYPERLINK l b

10、ookmark179 o Current Document 9.3选取检测回波的阈值需要考虑的问题13 HYPERLINK l bookmark182 o Current Document 9.4系统参数和目标的性质对系统性能的影响13 HYPERLINK l bookmark185 o Current Document 9.5数据分类与识别14 HYPERLINK l bookmark188 o Current Document 9.6三维模型的快速重建14 HYPERLINK l bookmark191 o Current Document 参考文献151激光扫描系统简介1.1概述随着激光

11、技术、计算机技术和航测技术的快速发展，它们在测量领域的应用 越来越广泛。机载激光扫描测量系统是一种新型的航空测量方法，它利用装载在 飞机上的激光扫描系统（也称为激光雷达LiDAR，Light detection and ranging） 和彩色数码相机进行航空测量，具有测点精度高、测点密度大、信息量丰富、数 据处理自动化程度高、产品数字化程度高等优点。它能将地物、地貌、植被等区 分开来，并用数字进行描述，并能根据顾客的需求生成DTM、正射影像图、平 断面数据、植被的覆盖情况以及植被的高度等数字化产品。1.2工作原理三维激光扫描仪的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过 程，它通过具

12、有一定分辨率的空间点（坐标x,y,z，其坐标系是一个与扫描仪设 置位置和扫描姿态有关的仪器坐标系）所组成的点云图来表达系统对目标物体表 面的采样结果。三维激光扫描仪所得到的原始观测数据主要是：（1）根据2个连续转动的用 来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值。（2） 根据脉冲激光传播的时间而计算得到仪器到扫描点的距离值。（3）扫描点的反射 强度等。前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度用来给反 射点匹配颜色。1.3激光雷达的测距方式激光雷达的测距方式主要有两种，为相位测距和脉冲测距。相位测距原理是通过测量被调制的激光从发射到接收间隔内相位的变化，通 过

13、相位变化计算所测距离，即c4兀 fc为光在空气中传播的速度；f为调制频率，为相位差。由于调制是周期的，测量距离不仅与相位有关，而且与测得的整数周期有关， 当测量距离所需时间超过一个整数周期时，就难以确定真实距离，所以这种方式 主要用在近距离的测量中，如机器人视觉、自动汽车导航等领域。脉冲测距雷达主要是通过计数器测量激光从发射到接收之间的脉冲个数，通 过脉冲个数计算距离。如果时标振荡器频率为f,在激光雷达和目标之间往返的 时间t内（即取样信号和回波信号之间的时间间隔）包含时标脉冲个数为n，则 待测距离为L= c n / （2f ）在测距能力范围内，脉冲测距可以测到足够远的目标，所以飞行器导航和导

14、 弹制导主要是用脉冲测距激光雷达。2激光扫描技术的国内外研究现状2.1国内激光扫描技术的研究现状国家“863”计划先后支持了激光扫描技术的研究，“308”主题项目研究内 容主要集中在机载激光影像制图系统的设计、制造和数据处理。其信息获取子系 统“机载激光测距一扫描成像制图系统”集光机扫描成像技术、激光测距技术、 GPS导航定位技术、姿态测量技术等于一体，通过硬件实现扫描图像与DEM的 同步与严格匹配，利用距离信息配合图像信息进行特征分类与识别。该系统由5 个遥感器组成，工作波段覆盖了可见光、红外和微波整个系列，平台采用高中低 空飞机构成面向应用目标的分布式系统。2.2国外激光扫描技术的研究现状

15、2.2.1国外机载激光扫描系统的研究现状在国外，激光技术是研究热点，而且已经取得了大量成果并有商业化产品， 特别是机载系统正逐渐走向成熟。机载激光扫描系统主要用于快速获取大面积三 维地形数据，如瑞典SAAB公司研发的TopEye系统，加拿大Optech公司研发 的ALTM系统，美国John Chance公司的Fli-Map系统等。国外一些大学和研究 机构开展这方面的研究，比如，加拿大卡尔加里大学1998年进行了机载激光扫 描系统的集成与实验，通过对激光扫描仪、GPS和数据通信设备的集成实现了一 个机载激光扫描三维数据获取系统，并进行了一定规模的实验，取得了理想的效 果；荷兰测量部门自1988年

16、就开始从事使用激光测量技术提取地形信息的研究。2.2.2国外地面激光扫描系统的研究现状当前，机载激光扫描系统在产品和应用方面已日趋成熟，而地面系统的产品 和应用还处于发展阶段，地面激光集成扫描技术（特别是移动系统）是国际研究 的热点。日本东京大学1998年进行了地面固定激光扫描系统的集成与实验，取 得了良好效果，该大学正在开展较大规模的研究工作。1999年意大利的佛罗伦 萨的来自斯坦福大学和华盛顿大学的30人小组使用三维激光扫描系统对米开朗 琪罗的大卫雕像进行测量，包括激光扫描和拍摄彩色数码照片。此外，美国、法 国的一些大学和研究机构正在积极进行这方面的研究工作。地面激光扫描系统在工业领域中也

17、扮演了重要角色。在工业领域中CMS390 平面区域测量扫描系统、TWS390追踪扫描雷达系统是较为典型的2D扫描应用 系统，美国CYRAX系统则是较为典型的3D扫描系统。3机载激光扫描系统的组成机载激光扫描系统由空中测量平台、激光系统、姿态测量和导航系统、数码 相机、计算机及软件等组成。3.1空中测量平台空中测量平台是航空激光扫描测量系统进行作业的空间载体和操作平台，主 要为直升飞机或其它飞机，用来装载航空激光扫描测量系统所需要的各种仪器仪 表和操作人员。3.2激光系统激光扫描系统是本系统的核心部分，它主要用来测量地物地貌的三维信息。 本文以ALTM激光系统和Topeye激光系统为例进行介绍。

18、ALTM和Topeye激光系统均由红外激光发射传感器、惯性测量系统、光电 接收器、时间同步控制器、主控计算机、惯性测量计算机和激光发生器等几部分 组成。这两种激光系统每秒能产生高达33000个激光脉冲，其摇摆角为左右各20 度。对于每个脉冲来说，如果当它在行进过程中遇到诸如架空电线、树上的树叶 等细小物体时，它会产生多个反射（物体表面的反射和地面的反射），系统能测 量到同一脉冲的不同反射，并存储起来。同时，系统还能对每一脉冲的反射率（或 反射光强度）进行测量并将结果存储起来。激光束传播过程中的发散度决定了打在地面上的光斑的大小。有些发散度值 是固定的，有些是可变的。发散度较大的激光光束对植被测

19、量较好，发散度较小 的激光光束具有较强的穿透力。当航高为1000m时，发散度较小的激光光束打 在地面上的光斑大小约为20cm，而发散度较大的激光光束大约为1m。3.3姿态测量和导航系统GPS接收机、陀螺仪、导航计算机构成了姿态测量和导航系统。GPS接收 机采用差分定位技术确定平台的坐标。陀螺仪测量平台的姿态，用于对发射激光 束角度的校正以及地面图像的纠正。GPS接收机可为飞机提供导航，应能用图文方式向飞行员和系统操作员提供 飞机现在的状态，即飞机现在离任务航线起点终点的距离、航线横向偏差、飞行 速度、航线偏离方向、航线在测区中的位置。系统应能处理区域测量也能处理带 状测量。3.4数码相机数码相

20、机拍摄的航片宽度应该调节到与激光扫描宽度相匹配。航片经过纠 正、镶嵌可形成彩色正射数字影像。3.5摄像机组件摄像机组件由一对带时间标记的摄像机组成。一个摄像机记录垂直方向的地 面情况，另一个摄像机记录前方与水平方向成20度至45度方向的地面情况。3.6数据处理软件激光扫描系统获取的数据量非常庞大，需要特殊的专业软件来处理。下面介 绍常用的 Terrasolid 公司的 TerraModeler、TerraScan 和 TerraPhoto 软件。TerraScan软件能处理大量的激光扫描测量数据，它的主要功能是根据点的 坐标、光强、同一激光脉冲的首尾反射值等信息将大量激光扫描测量数据进行分 类

21、。它可以由一定的分类标准程序对所有的点进行批处理。它也可以象AutoCAD 那样方便地编辑图形、从不同角度观察图形。TerraModeler软件是用来生成和处理各种表面的，它可以用来计算体积、面 积，生成等高线、轮廓线等。TerraPhoto软件是用来处理原始数码影像的。将飞机的飞行数据文件（包括 飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等数据）、影像数据文件及地面数字模型 文件输入系统，该软件将根据这些数据进行全自动空三平差、镶嵌，形成彩色正 射影像图。4激光扫描系统的数据采集和处理过程4.1数据采集机载激光扫描系统的野外数据采集过程为：（1）在航飞前要制订飞行计划。航飞计划应包括航带划分，确定飞

22、行高度、 速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素及定 位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入导航计算 机内。（2）安置GPS接收机。为保证飞机飞行各时刻的三维坐标数据的精度，需 要在地面沿航线布设一定数量的GPS基准站，同时将流动站安置在飞机上。（3）激光扫描测量。预先设置好扫描镜的摆动方向和摆动角度，当飞机飞 行时，红外激光发生器向扫描镜上不停地发射激光，通过飞机的运动和扫描镜的 运动反射，使激光束打到地面并覆盖测区，当激光束到达地面或遇到其它障碍物 时被反射回来，被一光电接收感应器接收并将其转换成电信号。根据激光发射全 接收的时间间隔即可

23、精确测出传感器全地面的距离。（4）惯性测量。当飞机飞行时，惯性测量装置同时也将飞机的飞行姿态测 出来，并和激光的有关数据、扫描镜的扫描角度一起记录在磁带上。（5）数码相机拍摄。利用数码相机进行拍摄时，需要对其拍摄时间间隔和 拍摄位置进行控制。通常是用GPS系统进行时间和位置控制。（6）数据传输。外业结束后，将所有的GPS数据、激光扫描测量数据和影 像数据都传输到计算机中，为后续数据处理作准备。4.2数据处理机载激光扫描系统在野外采集得到的数据需要进行一定的处理才能得到需 要的信息。数据处理的内容包括：（1）确定航迹。将地面的GPS基准站和飞机上的GPS流动站的测量数据 进行联合差分解算，即可精

24、确确定飞行轨迹。（2）激光扫描测量数据处理。利用仪器厂家提供的随机软件，对飞机GPS 轨迹数据、飞行姿态数据、激光测量数据及激光扫描镜的摆动角度数据进行联合 处理，最后得到各测点的（X、Y、Z）三维坐标数据。这样得到的是大量悬浮在 空中没有属性的离散的点阵数据，形象地称之为“点云”。（3）数据分类处理。在对点云数据进行分类处理前，首先应当对数据进行 检验，剔除错误的点和高程异常的点，如特别低的点（地面以下的点）或特别高 的点（云或飞行中的鸟）。然后建立地面数据类型，分离非地面数据。再根据顾 客要求，对非地面数据进行分类，如建筑物类数据、送电线路数据、铁路类数据 等等。另外，可以根据高出地面的高

25、度对非地面点数据进行分类，如可以对不同 的植被进行分类。（4）数据分类输出。（5）坐标匹配。在一幅点云图中，扫描点间的相对位置关系是正确的，而 不同点云图间点的相对位置关系的正确与否，则取决于它们是否处于同一坐标系 下。大多数情况下，一幅点云图无法建立物体的整个模型，因此，需要将多幅点 云图精确地“装配”在一起，使点处于同一个坐标系下。目前采用的方法是坐标 匹配（Registration），包括配对方式（Pairwise Registration） 全局方式（Global Registration）和绝对方式（World Registration）o（6）影像数据的定向和镶嵌。数字影像先进行解

26、压处理，再结合航片的内 外方位元素进行空中三角测量，然后结合激光扫描测量的DTM数据进行定向镶 嵌，形成正射影像图。（7）三维模型重构。5激光扫描数据的精度分析5.1误差来源地面上激光点的位置是由GPS测量数据、姿态测量数据、激光测距数据、 扫描角、多传感器集成安装时激光器在INS坐标系中的偏差等确定的，因此， 最终的定位误差应是上述这些数据测量中的随机误差和系统误差造成的，除此之 外，还需要考虑集成系统中传感器之间脉冲时序的同步精度造成的误差。误差来 源具体分析如下：5.1.1 GPS定位误差GPS测量采用动态差分定位方法，它同时记录来自地面基准站的GPS载波 相位和伪距数据，与来自卫星的载

27、波相位和伪距数据结合在一起进行后处理。一 般来说，经差分处理和采用一些特殊的硬件和软件技术可以消除或减弱卫星轨 道、电离层和对流层的延迟、周跳和多路径效应等引起的误差。5.1.2姿态测量误差姿态测量系统是由惯性导航系统（INS）和GPS组合而成的，据目前的制造 技术，俯仰a和侧滚中的精度可达60，偏航6可达90 。5.1.3激光测距误差影响测距误差的主要因素是激光脉冲宽度、测距仪电子学的计时精度以及激 光束在大气中的传播质量等。脉冲展宽则导致地面上光斑内距离的漂移，脉冲宽 度与激光束扩散、目标坡度及反射特性有关；计时精度是由测距仪的信噪比、回 波探测器的响应阈值，虚警概率确定，与探测器口径和灵

28、敏度等有关；激光束在 大气中的传播质量与大气质量、激光脉冲强度等因素有关。5.1.4传感器之间脉冲时序的同步精度误差集成定位系统不同数据流之间的计时同步精度也是引起定位误差的重要因 素之一。GPS接收机每秒发出一个精确脉冲，这个脉冲前沿在测距过程中重新设 置计时器，同时也影响GPS接收机到INS的脉冲从开始到发射数据之间的时间 延迟，而时间延迟会影响到三个量的测量精度：（1）从运动平台到地球表面上响 应点之间的距离的激光测量；（2）相对于地球中心，地球固定参考系的激光束传 播方向的测量；（3）在地球中心固定的地球坐标系中，激光器发射脉冲时间点的 测量。5.1.5系统的集成误差系统的集成误差主要

29、包括GPS天线端点到激光束在扫描镜上发射点（即投 影中心）之间矢量的确定误差、激光束扫描过程中激光束指向角的误差。5.1.6坐标转换误差由于GPS采用的是WGS84坐标系和椭球面高程系，而工程上通常采用的是 国家坐标系和正常高高程系统，因此需要将WGS84坐标系和椭球面高程系转换 成国家坐标系和正常高高程系统，其中必然会产生误差，特别是高程在转换过程 中会产生较大的误差。5.1.7数据分类误差在对数据进行分类处理时，激光本身并不能区分地面数据和非地面数据，主 要是依靠操作者凭知识和经验来定义参数建立模型进行识别。由于测区情况和操 作者的情况千差万别，难免会产生误差，特别是在植被较厚的地方。所以

30、，自动 处理后还应进行人工编辑处理。5.2提高激光扫描数据精度的一些措施要提高激光扫描数据的定位精度，必须提高GPS定位、姿态测量、激光测 距、GPS天线端点到激光发射点的距离的测量精度以及数据处理的精度。有些误 差是可以通过事先制定严密的航飞计划加以消除的，如选择星况较好的时段；避 免将GPS安置到接收不到卫星或对卫星信号有遮挡的地方；当植被较厚时，可 以适当降低航高，以增强激光的穿透能力；此外，还应尽可能减少集成系统安装时的系统误差。可以将遥感器和INS 以及激光测距仪安装在一块刚性平台上，刚性平台的设计要求是保证能将遥感 器、激光测距仪和INS之间的关系固定下来，并在安装后系统作业过程中

31、保持 不变，这样便可通过平差处理消除掉集成系统安装的系统误差。6激光扫描系统的特点和应用6.1激光扫描系统的特点激光扫描系统具有以下特点：（1）快速性。应用激光扫描能快速获取大面积目标空间信息，也可以及时 测定形体表面立体信息，提高了测量效率。（2）非接触性。这一特征解决了危险领域的测量、柔性目标的测量、需要 保护对象（如文物）的测量、人员不可到达位置的测量等。（3）穿透性。激光能穿透不太浓密的植被，到达目标表面，或者由于激光 扫描技术能在一瞬间得到大量的采样点，这些采样点能描述目标表面的不同层面 的几何信息。（4）主动性。主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测自身发射出 的光的反射来得到

32、目标信息。（5）高密度、高精度。（6）数据采集高度数字化、自动化，数据处理过程高度自动化，可以方便 地获得“4D”产品。（7）可以不用事先埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点 上安置GPS基准站即可。6.2激光扫描技术的应用领域激光扫描仪的应用领域十分广泛，它不仅可以用于房屋建筑、公路、桥梁、 大坝的测量，而且可以用于工业测量、文物保护、CAD设计与动画制作、虚拟 现实等领域。具体如下：（1）建立三维城市模型。利用激光距离扫描获得高分辨率的数字表面模型 （High resolution digital surface models），与多元数据融合，可重建地形、建筑物 立体模型，生

33、成DEM。（2）在林区确定DEM、测量树木高度或者测定架空线悬高。由于激光可穿 透树冠、树叶直接到达地面，因此可以获取真实的地表数据。（3）灾害评估。对于地震、滑坡、泥石流等灾害，灾区的地面特征与灾前 相比较，所发生的变化可采用机载激光扫描系统进行测量和分析得到。（4）测量水下地形。可以利用机载激光扫描系统测量浅海、沿海海岸带、 湖泊和沼泽地带的水深。其原理是由于扫描系统一般采用红外及绿色光组成的复 合频率激光脉冲，以弧形向水面扫描。绿色激光穿透水面在水底反射回空中；红 外激光则一遇水就立即反射回空中。接收器接收两种回波的时间差来计算水深。（5）堆积物的测定。可用于测量煤区、工程开挖与堆积物方

34、量。（6）大型工程进展监测。（7）大比例DEM建立与更新。（8）城市规划，耕地、资源环境等监测调查等。（9）虚拟现实。6.3激光扫描测量与近景摄影测量的对比虽然激光扫描测量与近景摄影测量有许多相似之处，但由于其基本工作原理 的不同，因此实际应用中它们也有一些差别，具体如下：（1）原始数据格式不同。扫描所得到的数据是由带有三维坐标的点组成的 点云，可以直接在点云中进行空间量测；摄影测量得到的数据是影像照片，单独 的一幅影像照片则无法进行空间量测。（2）对外界环境的要求不同。激光扫描在白天和黑夜都可以工作，光亮度 和温度对于扫描没有影响，而摄影测量的要求相对要高一些（如高温会产生影像 变形，夜晚无

35、法进行摄影等）。（3）对实物材质的获取方式不同。扫描系统由反射强度来匹配与真实色彩 相类似的颜色或从数码影像中获取，在模型上贴图；摄影测量则根据影像照片直 接获得真实的色彩。7由激光扫描数据进行建筑物特征提取和重建直接利用激光扫描数据实现目标三维重建需要解决的主要问题是提取目标 特征点，如边界点、转角点等，由特征点构建特征线和特征面，从而重建三维目 标。本文主要研究具有以下特征的规则建筑物：（1）建筑物立面基本垂直于地面； （2）建筑物表面基本平滑；（3）建筑物转角基本为直角。图1建筑物特征提取和重建的流程图建筑物特征提取和重建的流程见框图1,具体方法和步骤为：（1）数据概算数据概算是根据已知

36、信息对原始观测值进行概算，将测量数据分离为地形数 据和地物数据，并为后续处理提供基础数据。（2）数据滤波对地物数据滤波是为了去除测量噪声、遮挡物等的影响，得到建筑物数据。 可以采取多种处理方法相结合，如根据激光扫描回波信号强度辨别，回波信号强 度低于阈值时，距离信号值无效；利用中值滤波，剔除奇异点；利用曲面拟合去 除前端遮挡物。（3）建筑物平面特征点提取根据建筑物自身特征，对连续扫描的激光测量断面进行整体匹配纠正，得到 建筑物特征点和二维平面特征。从距离影像中挖掘几何形体特征最重要的就是探 测特征点，根据特征点分析特征线和形体。在离散点中挖掘形体信息的方法比较 多，如Hough变换、线性回归、

37、分线段拟合等。（4）建筑物三维数据获取根据建筑物的总体纠正信息对原始测量数据进行重采样，就可以得到反映建 筑物表面几何特征的三维扫描坐标。（5）三维建模与可视化通过上述步骤已经得到三维重采样点，然后就可以进行三维建模。三维建模 的一般策略是对这些数据重采样点构成TIN，采用真实感图形计算的方法分别进 行三角面片的划分镶嵌，确定视点和观察方向，进行图形变换、可见面识别、亮 度和色彩计算、纹理映射等处理实现模型可视化。8城市三维建模数字城市是信息时代发展的必然产物，是将与人类活动有关的信息进行数字 化、存储、管理和应用的综合结果。城市建模是数字城市的重要内容与必要步骤。8.1城市建模的基本方法城市

38、建模可分为几何建模（geometrical modeling）和纹理建模（texture mapping）。它由三部分组成：（1）DEM+正射影像构成三维地形表面；（2）建筑 物的几何模型+纹理构成三维建筑物；（3）三维的植被（森林）和其它地物。8.1.1几何建模的方法几何建模包括数字地面模型DEM的建立和地物三维空间数据的提取。DEM 可从航空立体影像对或高分辨率卫星立体影像对自动提取（有时也需要一些人工 编辑）；也可利用LIDAR数据进行提取；也可利用已有地图扫描数字化的方法得 到。地物（主要是房屋）三维空间数据的获取可利用航空航天立体像对，目前主 要是在数字摄影测量系统上以人工立体量测的

39、方式提取。若对屋顶的建模要求不 高，也可利用已有地图扫描数字化的矢量数据（或已有的矢量数据或地面测量数 据）构建平面，按房屋的高度（或估算高度）建立建筑物的三维模型。随着科技的发展，激光扫描为直接重建物体精确的几何模型提供了自动、快 速可靠的工具。目前航空激光扫描系统LIDAR （Light Detection And Ranging） 发展很快，利用LIDAR获得的DSM数据+ IKONOS影像进行城市建模受到广 泛的重视。地面激光扫描系统也发展很快，如Leica的Cyrax，测量距离为100 米，量测精度达2毫米，其速度每秒可达1000个点。8.1.2纹理建模的方法纹理建模就是将影像上的纹

40、理“映射”到经过几何建模得到的空间实体上， 所以又称为纹理映射。地面纹理和建筑物屋顶的纹理主要来自航空摄影影像或卫星影像。航空影像 和卫星影像均是空中对地观测，不能清晰地反映房屋的墙面纹理。当前解决墙面 纹理的方法多是以地面摄影的方法获取，即对每一面墙摄取影像，由人机交互量 测影像中墙面的角点，并切割、映射，得到墙面纹理。城市建模的目的不是仅仅为了浏览，它主要是建立数字城市的基础，因此城 市建模的结果必须与已有的GIS系统相连接，赋予其查询和分析功能。8.2城市建模过程中存在的问题8.2.1几何建模过程中存在的问题房屋（特别是屋顶）建模的自动化（即使是半自动化）问题没有解决。目前 有些发达国家

41、已经采用航空激光扫描资料来重建“三维城市”，可以直接建立城 市三维的数字表面模型（DSM）。但是从非常密集的高程信息提取规则的面，还 需要进一步研究。8.2.2纹理建模过程中存在的问题墙面的纹理重建多数采用在地面上对墙面进行摄影，然后进行人工的纹理映 射。这样做不仅效率低，而且在实地对建筑物进行摄影时经常遮挡严重，难以获 得墙面的全景，需要大量的人工处理。8.2.3数据管理与数据压缩数字城市不仅有大量的矢量信息，而且有大量的纹理信息。因此，数据管理 和数据压缩对数字城市有非常重要的作用。数字城市的数据压缩有其特殊性，如 屋顶的纹理基本一致；房屋的墙面纹理具有大量的重复性，因此可以针对其特点 研

42、究数字城市的数据压缩。8.3城市建模问题小结城市建模还有不少关键问题和技术亟待解决，其中城市建模的标准和规范的 建立尤为重要。房屋几何建模的半自动化、房屋墙面纹理映射的半自动化、房屋 墙面纹理遮挡分析、数据压缩等，都是需要解决的问题。只有解决了这些问题， 才能使城市建模快速发展，才能加快数字城市的建设。在解决现有问题的同时， 也要注意新一代传感器的发展与应用，以及新思路与新方法的研究成果。9激光扫描系统相关问题的探讨激光扫描测量可以快速获得物体表面每个采样点的空间立体坐标，但要完成 此任务，必须研究计算模型、误差模型，即确定从传感器获得的原始数据到最终 结果的映射关系，以及引起误差的原因、误差

43、的传递、对结果的影响、误差的矫 正和消除等。还要研究数据处理技术，如粗差探测、数据分类与识别、三维模型 重构等。9.1大气折射率的垂直分布对激光测距的影响激光测距是以测量激光脉冲在发射系统和目标之间的往返时间而进行测距 的。对于水平测距情况，在光束传播路程上的折射率可以认为是常数，虽然由于 大气湍流的影响，会造成折射率的起伏，但这种影响非常微小，可以忽略。在测 程不太长的情况下，水平测距可以达到非常高的精度。但是对于垂直测距，情况 就完全不同了，随着高度的增加，重力减弱，并且气温相应降低，因而大气密度 随高度的增加逐渐变得稀薄，折射率分布不能再视为常数。如果采用地面折射率 来计算大气中传播的光

44、速，其值要比真实值要小一些，相应计算得到的距离值也 将小于实际值。对于机载激光测距如何根据气象条件来确定折射率是一个急待解 决的问题。9.2粗糙目标对系统探测性能的影响机载激光测距系统是利用激光来照射目标，依靠接收后向散射信号获取距离 信息、反射率及目标形貌的结构（在单个激光斑内，高度和坡度的分布信息）。 大多数目标，如地面、森林、岩石等都是比较粗糙的，尤其是以光学波长的尺度 来衡量这类目标的粗糙程度。在接收平面上，任一点的光场是来自于目标的不同 散射元子波的相十迭加，光强度会形成无序、斑点状的分布，光强的分布情况与 目标表面的粗糙程度密切相关。9.3选取检测回波的阈值需要考虑的问题对激光测距系统，如何选取检测回波的阈值是一个值得研究的问题。雪崩二 级管是目前机载激光测距系统中检测激光回波最常用的探测器，用其进行回波检 测需要考虑以下几个问题：（1）背景噪声、电路噪声和雪崩二级管的散粒噪声会 造成脉冲式激光测距系统误探测目标或漏探测目标。（2）检测系统的阈值选取对 系统的探测性能影响很大，如果阈值选取得较小，会导致虚警概率增大；而如果 阈值选取