CN102708587A - 一种快速获取三维建筑信息的方法及*** - Google Patents

一种快速获取三维建筑信息的方法及*** Download PDF

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艾刚
孙义博
贾宗仁
王鹤饶
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Abstract

本发明公开了一种快速获取三维建筑信息的方法及***，包括数据准备、数据处理和结果生成，具体步骤如下：1.原始数据预处理；2.获取临界高程值；3.数据导入内业处理软件；4.坐标***转换；5.点图层数据分类；6.建立数字地面模型并获取地形连续变化区间；7.检验并提取建筑物上的点；8.计算建筑物高度；9.建立显示建筑物数字三维模型。本发明采用***集成的方式，针对给定区域内所有建筑物设计了一种快速建立数字城市的方法，实现了对城区建筑物的快速三维模型的建立和显示，可适用于土地利用情况调查、城市规划与数字城市建设等领域。本发明实现了获取三维建筑信息的快速性、高效性和低价性。

Description

一种快速获取三维建筑信息的方法及***
技术领域
本发明涉及获取三维建筑信息技术领域，尤其涉及一种快速获取LiDAR(Light DetectionAnd Ranging，激光雷达)点云数据与DLG(Digital Line Graphic，数字线划图)数据集成三维建筑信息的方法及***。
背景技术
随着工业化、城市化的加速发展，城市信息的滞后性成为当今发展迫切需要解决的一个问题，如何快速、有效、低廉的获取城市建筑物信息建立数字城市是当今城市管理者们普遍关心的一个问题。此外，在进行城镇村土地集约节约利用评价时，建筑物信息获取也是一个非常重要的方面，快速获取城市建筑物信息对于城镇村土地集约节约评价也是至关重要的一项技术支撑。
目前，获取建筑物空间信息建立建筑物数字三维的方法主要有三种类型：(1)人工提取的方法；(2)航空摄影的方法；(3)激光扫描的方法。
人工提取的方法就是根据人的判读从图像或是实地读取出每个建筑物的信息，由于完全依据人的经验和方法进行提取，因而速度慢，耗费大量的人力和物力。
航空摄影的方法主要是采用立体像对，通过特征匹配和共线条件方程来重建建筑物3D模型，其中匹配算法直接决定了结果的正确性和完整性，此外也有采用单张影像，利用建筑物阴影计算建筑物高，建立建筑物三维数字模型，但通常只能应用于有规则几何的建筑物，而且可靠性和精度都不能得到有效保证。
采用激光扫描建立建筑物三维模型的方法是最新发展起来一种技术，主要方式是采用机载或地面三维激光扫描仪，构建激光点云，从而建立建筑物三维模型，此种方法精度高，但需要处理大量的点云数据，工作量大、过程复杂、处理时间长，然而在应用中我们对建筑物三维模型的获取也不需要如此高的精度。
此外，目前还有采用航空影像数据与激光扫描数据相结合的方式获取建筑物三维模型的方式，主要采用高分辨率的航空影像获取建筑物平面轮廓信息，采用激光扫描数据获取高度信息，这种由航空影像获取建筑物***轮廓的方式需要采用相应算法提取建筑物轮廓，且只对轮廓规则的建筑物最为适用，而且还有很多建筑物轮廓无法有效的提取。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的快速获取三维建筑信息的方法，解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种快速获取三维建筑信息的方法，包括：
数据准备，获取原始数据并进行数据格式转换；
数据处理，导入所述格式转换后的数据并获取临界高程值，对导入的所述格式转换后的数据及临界高程值进行数据处理；
结果生成，根据所述数据处理后所得的数据建立建筑物数字三维模型。
所述原始数据，包括激光点云数据和数字线划图数据，所述激光点云数据为建筑物高度信息，所述数字线划图数据为建筑物轮廓地图信息。
所述的数字线划图数据为大比例尺数字线划图数据。
所述的临界高程值，是通过对点云数据的高程属性进行等距高程频率直方图统计分析获得。
所述的数据处理过程包括：
(1)数据导入，导入所述数据格式转换后的原始数据；
(2)获取所述临界高程值；
(3)坐标***转换，对导入的数据进行坐标***转换；
(4)点图层数据分类；
(5)建立DEM(Digital Elevation Model，数字地面模型)并获取地形连续变化范围；
(6)检验并提取建筑物上的点；
(7)计算建筑物高度值。
所述的坐标***转换，是将激光点云数据和数字线划图数据转化为统一的坐标***框架下。
所述点图层数据分类，是以所述临界高程值作为标准将点图层根据其高程属性值分为大于所述临界高程值的点图层和小于所述临界高程值的点图层，分别生成建筑物上的点图层和地面点图层。
所述的建立数字地面模型并获取地形连续变化范围，是将所述地面点图层采用克里金插值进行空间插值，生成数字地面模型，得到地形的连续变化取值范围。
所述检验并提取建筑物上的点中所述的检验，是采用所述地形的连续变化取值范围对所述建筑物上的点图层再次进行筛选，去掉所述临界高程值在地形变化范围内的点。
所述提取建筑物上的点，是将所述数字线划图数据与经过所述数字地面模型筛选过的建筑物上的点图层进行叠加分析。
所述计算建筑物高度值，是根据所述数字线划图数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值，采取求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物。
以所述数字地面模型作为基础高程，采用所述数字线划图数据中建筑物的高度属性建立并显示所述数字线划图数据内所有建筑物的三维模型。
一种快速获取三维建筑信息的***，包括坐标***转换模块、数据分类功能、插值模块、叠加分析模块、计算模块以及三维显示模块；
所述的坐标***转换模块，将激光点云数据和数字线划图数据转化为统一的坐标***框架下；
所述数据分类模块，是以所述临界高程值作为标准将点图层根据其高程属性值分为大于所述临界高程值的点图层和小于所述临界高程值的点图层，分别生成建筑物上的点图层和地面点图层；
所述插值模块，将所述地面点图层采用克里金插值进行空间插值，生成所述数字地面模型，得到地形的连续变化取值范围；
所述叠加模块，将所述数字线划图数据与经过所述数字地面模型筛选过的建筑物上的点图层进行叠加分析；
所述计算模块，是根据所述数字线划图数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值，采取求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物；
所述显示模块，以所述数字地面模型作为基础高程，采用所述数字线划图数据中建筑物的高度属性建立并显示所述数字线划图数据内所有建筑物的三维模型。
本发明的有益效果可以总结如下：
1.本发明通过大比例尺DLG数据中获取的建筑物的轮廓信息，位置信息，采用机载激光扫描仪获取建筑物的高度信息，其轮廓、位置信息精确，是一种快速、有效、低廉的建立数字城市的方法。
2.本发明将原始数据导入内业处理软件中，采用由SPSS分析后得到数值，将数据处理流程的各部分功能模块相集成，实现了数据处理流程的自动化与快速化。
附图说明
图1为本发明的整体技术流程图。
图2为本发明原始数据预处理流程图。
图3为本发明采用SPSS进行高程数据分析流程。
图4为本发明未经调整原始高程等间距直方图。
图5为本发明经调整后的高程等间距直方图。
图6为本发明快速获取三维建筑信息***示意图。
图7为本发明内业数据处理软件流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仪仪用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的本发明的整体技术流程图，主要内容包括：数据准备、数据处理与结果生成三部分内容组成，其具体的实现方式包括如下步骤：
步骤S101，原始数据预处理。所述原始数据包括LiDAR点云数据(*.1as格式)和从地图数据库中获取的研究区域大比例尺DLG数据。对原始数据的预处理，包括采用GlobalMapper软件将las格式的LiDAR点云数据通过设置相应的投影坐标***转换成shapefile格式的数据。对于由地图数据库中获取的大比例尺DLG数据，由于格式不同，可通过相应的方法将大比例尺DLG数据转为shapefile格式，在转换时也可通过Global Mapper采用相同的方法进行。
步骤S102，获取临界高程值。借助SPSS数据统计分析工具，对LiDAR点云数据的高程属性进行等距高程频率直方图统计分析。由于原始数据LiDAR点云数据的高程是一个连续的区间，在建立高程频率直方图时应选取适当的高程统计间隔，对相近的高程值进行合并，以适当的反应出数据高程的特点。此外虽然城市内建筑物较多，但裸露地面的高程频率仍表现为一个最大波峰，记录与此波峰相邻的两波谷的高程值，凡在此高程区间内的点云数据即可暂被当做地面点，认为在此高程区间之外的点为地物点，因此从分析结果中可以明显分辨出高程值变化的差异性，选择差异点作为建筑物与地面的临界高程值。
步骤S103，数据导入。将步骤S101格式转换的数据导入数据处理模块。
步骤S104，坐标***转换。其数据特征为：LiDAR数据一般采用的是WGS-84坐标***，DLG数据一般采用四安80或地方坐标***。可将点云数据转换成DLG数据下的坐标***，也可将DLG数据转换成点云数据下的坐标***。
步骤S105，点图层数据分类。对点图层进行分类，是以步骤S102中获取的临界高程值作为标准将点图层，分为大于临界高程值的点图层和小于临界高程值的点图层，分别作为建筑物上的点图层和地面上的点图层在步骤S106中使用。
步骤S106，建立DEM并获取地形连续变化范围。其目的是在步骤S107中对步骤S105生成的建筑物上的点图层做检验，具体步骤是将步骤S105中生成的地面点图层采用克里金法进行空间插值，生成DEM，由于地形是一个连续变化的曲面，可以得到一个地形变化的取值范围。
步骤S107，检验并提取建筑物上的点。由于在步骤S105生成的建筑物上的点图层不能保证完全处于建筑物上，还有可能是由于地形起伏造成的高程较大的点被选入建筑物中，采用步骤S106中得到的地形变化范围再次对建筑物上的点图层进行筛选，可以去掉建筑物内高程值在地形变化范围内的点，保证得到的所有点数据均满足要求。
所述提取建筑物上的点，是由于有些建筑物上的点有可能是树木等非建筑物的点数据和数据本身以及在进行坐标***转换中误差的存在与积累，不能保证所获得的建筑物上的点都在区域内的建筑物轮廓内，因此，因此需将DLG数据与经过检验过的建筑物上的点图层进行叠加分析。
步骤S108，计算建筑物高度值。具体方法是在内业处理软件中，根据DLG数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物。此过程会自动在DLG数据图层中生成一个记录建筑物高度值的属性，将计算得到的高度值赋给相应建筑物的高度属性中。
步骤S109，建立并显示建筑物数字三维模型。具体方法是在内业处理软件中自动将步骤S106中生成的DEM作为基础高程，采用步骤S108中DLG数据内建筑物的高度属性作为建筑物高，建立并显示DLG数据内所有建筑物的三维模型，也可将影像数据导入内业处理软件中使显示效果更佳。
如图2为原始数据预处理流程图，在数据准备中，主要是对机载激光扫描数据(LiDAR数据)和从地图数据库中获取的大比例尺DLG数据做格式的转换。
步骤S201，将原始LiDAR数据和DLG数据导入Global Mapper软件。
步骤S202，Global Mapper软件将原始LiDAR数据和DLG数据设置对应的投影***。
步骤S203，Global Mapper软件将输出设置为Shapefile格式。
原始LiDAR数据为las格式，采用Global Mapper将las格式转换为shapefile格式。GlobalMapper支持几乎所有的地图格式，可以编辑、转换各类地图图形文件，与地理信息***软件的兼容性也非常优秀。在Global Mapper软件中，打开las格式的LiDAR数据，设置对应的投影方式，然后将输出格式设置为shapefile进行输出。对于非shapefile格式的DLG数据，也可使用Global Mapper转换为Shapefile格式的面图层。
如图3为SPSS下高程数据分析流程。
步骤S301，在SPSS软件中打开LiDAR数据的属性表数据，
步骤S302，使用Analyze中的统计分析模块的功能进行高程频率直方图统计分析。
步骤S303，在打开统计分析功能模块后，选择高程属性作为分析对象，生成高程频率直方图。
步骤S304，对生成的高程频率直方图进行调整分析，根据当前直方图调整统计数据的最大值和最小值。
步骤S305，根据直方图调整统计数据的最大值和最小值设置高程统计间隔，生成差异性最为明显的高程频率直方图用以区分地面点和建筑物上的点。
步骤S306，选出差异点作为临界高程值。
如图4为未经调整点云数据高程在SPSS下生成的高程獭率直方图。未经调整的原始高程等间距直方图高程值集中于0-60之间，其中出现的一个较大波峰为裸露地表。
如图5为经调整后的点云数据高程在SPSS下生成的高程频率直方图，提取区间为0-60之间的高程变化范围，缩小高程统计间隔后调整为图5所示直方图。从分析结果中可以明显分辨出高程值变化的差异性，选择差异点作为建筑物与地面的临界高程值。
如图6所示为快速获取三维建筑信息的***示意图，包括坐标***转换模块、数据分类功能、插值模块、叠加分析模块、计算模块以及三维显示模块相集成。
坐标***转换模块，其数据特征为：LiDAR数据一般采用的是WGS-84坐标***，DLG数据一般采用四安80或地方坐标***。可将点云数据转换成DLG下的坐标***，也可将DLG数据转换成点云数据下的坐标***。由于本发明对平面精度要求不高，Google Earth Pro软件的平面精度即可满足要求，采用普遍使用的7参数模型，将DLG数据转换成WGS-84坐标***。具体方法是采用Google Earth Pro在研究区域采集若干控制点计算转换参数，在内业处理软件中通过设置相应的转换参数进行坐标***的转换。
数据分类模块，对点图层进行分类，是根据临界高程值，在内业处理软件中，以临界高程值作为标准将点图层分为大于临界高程值的点图层和小于临界高程值的点图层，分别作为建筑物上的点图层和地面上的点图层。
插值模块，将生成的地面点图层采用克里金法进行空间插值，生成DEM，由于地形是一个连续变化的曲面，可以得到一个地形变化的取值范围。
叠加分析模块，由于生成的建筑物上的点图层不能保证完全处于建筑物上，还有可能是由于地形起伏造成的高程较大的点被选入建筑物中，采用插值模块得到的地形变化范围再次对建筑物上的点图层进行筛选，去掉建筑物内高程值在地形变化范围内的点，保证得到的所有点数据均满足要求。所述提取建筑物上的点，是由于有些建筑物上的点有可能是树木等非建筑物的点数据和数据本身以及在进行坐标***转换中误差的存在与积累，不能保证所获得的建筑物上的点都在区域内的建筑物轮廓内，因此需将DLG数据与经过检验过的建筑物上的点图层进行叠加分析。
计算模块，计算建筑物高度值，具体方法是在内业处理软件中，根据DLG数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物。此过程会自动在DLG数据图层中生成一个记录建筑物高度值的属性，将计算得到的高度值赋给相应建筑物的高度属性中。
三维显示模块，建立并显示建筑物数字三维模型，具体方法是在内业处理软件中自动将插值模块生成的DEM作为基础高程，采用步骤计算模块DLG数据内建筑物的高度属性作为建筑物高，建立并显示DLG数据内所有建筑物的三维模型，也可将影像数据导入内业处理软件中使显示效果更佳。
针对本专利数据特点，本发明采用一体化的思想构建了内业数据处理***，针对性强、处理速度快、效率高。
如图7所示，为内业数据处理软件流程图，具体步骤如下：
步骤S701，将shapefile格式的点图层和DLG数据的面图层导入内业数据处理软件中。
步骤S702，在Google Earth Pro中获取研究区域若干控制点，计算坐标转换参数。
步骤S703，在内业数据处理软件中采用坐标转换模块，输入计算得到的转换参数进行DLG图层坐标系向WGS-84坐标***的转换。
步骤S704，采用数据分类的功能，在点图层的属性表中对高程属性以SPSS获取的临界高程值为标准，将小于临界高程值的作为地面上的点图层，将大于临界高程值的作为建筑物上的点图层分别加以操作。
步骤S705，采用插值模块将地面上的点图层进行空间插值，具体步骤如图7所示，首先选择相应的插值模型设置相应的插值参数，即可形成DEM并获取地形连续变化的范围值。
步骤S706，再次采用数据分类的功能以地形连续变化的范围值为标准对建筑物上的点图层进行检查，筛选出高程数值在DEM范围内的点然后删除，此过程后保留下的点可以认为完全是建筑物上的点。
步骤S707，采用叠加分析模块将DLG图层与建筑物上的点图层进行叠加分析，获取DLG数据上建筑物轮廓内的所有点数据。
步骤S708采用数值计算功能计算每一个建筑物计算轮廓内点数据的平均高度值，将此高度值作为属性自动添加到DLG数据图层属性中。
步骤S709，在三维显示模块中以DEM作为基本高程，以平均高度作为建筑物高度自动生成DLG数据内所有建筑物的三维模型。
针对目前建筑物三维模型获取的复杂性、滞后性与高成本性，本发明采用DLG数据作为获取建筑物轮廓信息的底图，采用机载激光扫描数据获取建筑物高度，可以满足获取建筑物三维模型的快速性、高效性和低价性。本发明可以快速获取城市建筑物三维信息，为城市规划，土地评价、动态监测以及数字城市的建设提供及时有效的信息服务。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：包括
数据准备，获取原始数据并进行数据格式转换；
数据处理，导入所述格式转换后的数据并获取临界高程值，对导入的所述格式转换后的数据及临界高程值进行数据处理；
结果生成，根据所述数据处理后所得的数据建立建筑物数字三维模型。
2.根据权利要求1所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述原始数据，包括激光点云数据和数字线划图数据，所述激光点云数据为建筑物高度信息，所述数字线划图数据为建筑物轮廓地图信息。
3.根据权利要求2所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述的数字线划图数据为大比例尺数字线划图数据。
4.根据权利要求1所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述的临界高程值，是通过对点云数据的高程属性进行等距高程频率直方图统计分析获得。
5.根据权利要求1所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述的数据处理过程包括：
(1)数据导入，导入所述数据格式转换后的原始数据；
(2)获取所述临界高程值；
(3)坐标***转换，对导入的数据进行坐标***转换；
(4)点图层数据分类；
(5)建立数字地面模型并获取地形连续变化范围；
(6)检验并提取建筑物上的点；
(7)计算建筑物高度值。
6.根据权利要求4所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述的坐标***转换，是将激光点云数据和数字线划图数据转化为统一的坐标***框架下。
7.根据权利要求4所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述点图层数据分类，是以所述临界高程值作为标准将点图层根据其高程属性值分为大于所述临界高程值的点图层和小于所述临界高程值的点图层，分别生成建筑物上的点图层和地面点图层。
8.根据权利要求4和6所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述的建立数字地面模型并获取地形连续变化范围，是将所述地面点图层采用克里金插值进行空间插值，生成数字地面模型，得到地形的连续变化取值范围。
9.根据权利要求4所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述检验并提取建筑物上的点中所述的检验，是采用所述地形的连续变化取值范围对所述建筑物上的点图层再次进行筛选，去掉所述临界高程值在地形变化范围内的点。
10.根据权利要求4所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述提取建筑物上的点，是将所述数字线划图数据与经过所述数字地面模型筛选过的建筑物上的点图层进行叠加分析。
11.根据权利要求4所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：所述计算建筑物高度值，是根据所述数字线划图数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值，采取求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物。
12.根据权利要求1所述的快速获取三维建筑信息的方法，其特征在于：以所述数字地面模型作为基础高程，采用所述数字线划图数据中建筑物的高度属性建立并显示所述数字线划图数据内所有建筑物的三维模型。
13.一种快速获取三维建筑信息的***，其特征在于：包括坐标***转换模块、数据分类功能、插值模块、叠加分析模块、计算模块以及三维显示模块。
所述的坐标***转换模块，将激光点云数据和数字线划图数据转化为统一的坐标***框架下；
所述数据分类模块，是以所述临界高程值作为标准将点图层根据其高程属性值分为大于所述临界高程值的点图层和小于所述临界高程值的点图层，分别生成建筑物上的点图层和地面点图层；
所述插值模块，将所述地面点图层采用克里金插值进行空间插值，生成所述数字地面模型，得到地形的连续变化取值范围；
所述叠加模块，将所述数字线划图数据与经过所述数字地面模型筛选过的建筑物上的点图层进行叠加分析；
所述计算模块，是根据所述数字线划图数据中建筑物轮廓内的点数据的高程值，采取求和取平均值计算平均高度作为属性值赋给建筑物；
所述显示模块，以所述数字地面模型作为基础高程，采用所述数字线划图数据中建筑物的高度属性建立并显示所述数字线划图数据内所有建筑物的三维模型。
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