多重三维激光遥感技术支持下的真三维城市建模研究
项目名称：多重三维激光遥感技术支持下的真三维城市建模研究
项目概要：
本项目是在省财政厅和科技厅支持下，由河南省科学院地理研究所主持完成，属于公益单位改革研究开发专项补助资助。
三维激光遥感测绘系统近几年一直是国际、国内遥感测绘领域研究的热点，美国利用该项技术，测绘了不能直接地面测绘地区的数字地形模型，在军事等领域发挥了重要作用。随着数码航空摄影技术的日渐成熟以及高精度 GPS导航与控制的应用，国内于 2005年在引进先进设备、技术基础上，研制出了多重三维激光测绘系统。多重三维激光测绘系统能够快速、智能、优质的实现客观事物真实还原和高精度逆向三维建模及重构。
本项目基于地面激光雷达测量和机载激光雷达测量的原理、结合数字城市建设相关理论知识与方法，通过对多重三维激光测绘系统数据工作原理与特点的分析，研究并建立了多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型的一体化的工作方法，形成了多源数据一体化采集与处理技术流程，针对城市三维模型数据建设各阶段建立质量控制流程，构建了全过程的质量控制体系。以郑州市上街区为例，利用多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型，从而确定多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型标准技术流程并提供推广应用示范。
我国在激光雷达技术方面特别是机载激光雷达技术的应用研究同国际发达国家相比相对落后，为了使该项技术能有效地服务于我国的国民经济建设，本项目开展的基于多重三维激光测绘系统构建起高效的城市真三维模型构建研究，将航空摄影、激光雷达航摄及倾斜数码航摄集成与一体，采用低空多角度数字摄影方式建立高效的数字城市基础数据采集方法 ,实现多源数据及城市建筑真实纹理的高精度、高效率的获取，数据成果精度可靠、类型多样，城市三维模型真实、细腻等特点，使得激光雷达技术能有效地服务于我国的国民经济建设具有非常重要的应用价值和现实意义。同时，多重三维激光测绘系统集能够快速、智能、优质的实现客观事物真实还原和高精度逆向三维建模及重构，将对城市、水利、电力、交通、工矿、农林、文物等各个领域的勘测和数字化应用产生深远的影响。
完成单位：河南省科学院地理研究所；河南省遥感与地理信息系统重点实验室；
完成人员：
序号 | 姓名 | 性别 | 出生年月 | 技术职称 | 文化程度 ( 学位 ) | 工作单位 | 对成果创造性贡献 |
1 | 董建国 | 男 | 1957.01 | 高级工程师 | 本科 | 河南省科学院地理研究所 | 总体技术方案设计 |
2 | 杨瑞霞 | 女 | 1970.12 | 副研究员 | 博士 | 中国科学院对地观测与数字地球科学中心 | 技术路线研究 |
3 | 陈盼盼 | 男 | 1983.02 | 助理研究员 | 硕士 | 河南省科学院地理研究所 | 技术方案总体实施 |
4 | 王 超 | 男 | 1966.01 | 高级实验师 | 硕士 | 河南省科学院地理研究所 | 技术流程控制 |
5 | 鲁 鹏 | 男 | 1978.10 | 助理研究员 | 本科 | 河南省科学院地理研究所 | 质量控制 |
6 | 安春华 | 男 | 1972.06 | 助理研究员 | 硕士 | 河南省遥感与地理信息系统重点实验室 | 数据采集 |
7 | 吴海新 | 男 | 1969.09 | 高级工程师 | 本科 | 河南有色金属地质矿产局第七大队 | 数据采集 |
8 | 张 莉 | 女 | 1970.08 | 助理研究员 | 硕士 | 河南省科学院地理研究所 | 数据采集 |
9 | 张继红 | 女 | 1967.03 | 副研究员 | 本科 | 河南省科学院地理研究所 | 质量控制 |
10 | 常宗广 | 男 | 1964.08 | 助理研究员 | 博士 | 河南省科学院地理研究所 | 数据处理 |
11 | 张丽萍 | 女 | 1968.03 | 实验师 | 本科 | 河南省科学院地理研究所 | 数据处理 |
12 | 闫丽洁 | 女 | 1980.06 | 助理研究员 | 博士 | 河南省遥感与地理信息系统重点实验室 | 数据处理 |
13 | 王郑建 | 男 | 1955.11 | 实验师 | 本科 | 河南省科学院高新技术实业总公司 | 质量控制 |
14 | 周 真 | 男 | 1975.08 | 助理研究员 | 硕士 | 河南省科学院地理研究所 | 数据采集 |
15 | 孙婷婷 | 女 | 1981.02 | 助理研究员 | 本科 | 河南省科学院地理研究所 | 数据处理 |
项目所属领域：测绘遥感技术
项目背景：
国内数字城市建设方兴未艾，目前的数字城市建设在技术上整合了遥感、地理信息系统、视频网络、数据库、系统集成等比较先进的技术，在可视化方面应用了定点视频网络实时传输技术、虚拟现实技术等，可以模拟和表达城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市地理环境中的现象和过程，从而实现城市的虚拟化表达。
空间现象的三维表达，是新一代地理空间框架数据的重要内容。新一代地理空间框架数据中三维空间数据库的建设，一方面是在技术进步的基础上，三维空间数据的采集和表达成为可能，另一方面更为重要的是，在现代城市建设过程中，对三维空间数据的需求已变得越来越强烈。城市逼真的三维数字表示由于其在城市基础设施管理、无线通讯网络规划、城市开发决策支持、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等众多领域显现出巨大的应用潜力，现在已成为普遍关注的热点问题。
三维激光遥感测绘系统近几年一直是国际、国内遥感测绘领域研究的热点，美国利用该项技术，测绘了不能直接地面测绘地区的数字地形模型，在军事等领域发挥了重要作用。随着数码航空摄影技术的日渐成熟以及高精度 GPS导航与控制的应用，国内于 2005年在引进先进设备、技术基础上，研制出了多重三维激光测绘系统。多重三维激光测绘系统能够快速、智能、优质的实现客观事物真实还原和高精度逆向三维建模及重构。
本项目基于地面激光雷达测量和机载激光雷达测量的原理、结合数字城市建设相关理论知识与方法，通过对多重三维激光测绘系统数据工作原理与特点的分析，研究并建立了多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型的一体化的工作方法，形成了多源数据一体化采集与处理技术流程，针对城市三维模型数据建设各阶段建立质量控制流程，构建了全过程的质量控制体系。以郑州市上街区为例，利用多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型，从而确定多重三维激光测绘系统构建城市真三维模型标准技术流程并提供推广应用示范。
技术原理：
本研究采用激光雷达测量与处理技术、航空摄影测量与处理技术、空间定位技术以及三维建模技术建立基于多重激光测绘系统的城市三维模型构建技术方法和流程，实现了郑州市上街区城市空间基础数据高精度数字地面模型、高分辨率数字正射影像、城市真三维模型数据的快速、高效的采集、处理与构建。
关键技术与成果创新：
（ 1）建立高效的城市真三维模型构建方法及流程
基于激光雷达测量原理与数字城市建设相关理论知识与方法，结合多重三维激光测绘系统的特点，建立起快速、高效的城市真三维模型构建方法及技术流程。
针对多重三维激光雷达系统数据采集及处理特点建立了四个阶段城市三维模型建立流程，形成了多源数据一体化采集与处理技术流程，建立全过程的质量控制体系，并针对城市三维模型数据建设各阶段建立质量控制流程，确保在数据采集与处理与生产的各个阶段严格按照生产流程和技术要求执行，避免了误操作或技术标准不达标而影响最终数据成果质量，提高数据采集、处理和生产效率和质量。一体化的数据采集与处理流程集成了全过程质量控制体系，是快速、高效的城市三维模型数据采集与构建方法。
（ 2）实现高效的数字城市基础数据采集方法
多重三维激光测绘系统采用以机载激光雷达为主、地面激光雷达辅助的方式，再结合高分辨率数码相机，将航空摄影、激光雷达航摄及倾斜数码航摄集成与一体，采用低空多角度数字摄影方式一次完成几十平方公里城市基础数据获取工作，特别是斜拍相机同时获取城市建筑侧面纹理，相比于传统城市纹理地面拍照的获取方式，大大提高了数据采集效率并降低数据采集成本。
本次研究样区为十个平方的城区城市三维建模，采用多重三维激光测绘系统共飞行了两个架次五个小时的飞行时间，而在神垕镇，只采用地面激光雷达采集 500米长的神垕古街的激光雷达数据用了四天时间，却又缺乏建筑物顶部影像和雷达数据，由此相比，采用多重三维激光测绘系统可是大大提高了数据采集和生产效率。采用“十”字形航线设计方式，确保了倾斜摄影建筑物侧面纹理全角度全方位的获得，大大减少了传统城市三维模型构建过程中地面人工拍摄建筑物侧面纹理的人力、物力和财力，不仅节省了采集时间也节省了采集成本；同时，高分辨率的城市影像与激光雷达同时获取，由于高分辨率数码相机采集数据覆盖的范围大于机载激光雷达扫描范围，在确保激光雷达扫描的全覆盖过程的同时就提高了数码相机重叠范围，形成了高重叠率正射影像数据，可以用来生产高保真率正射影像。
鉴定及应用：
鉴定意见：
河南省科技厅委托省科学院组织有关专家，对河南省科学院地理研究所、河南省遥感与地理信息系统重点实验室等完成的《多重三维激光遥感技术支持下的真三维城市建模研究》项目进行了成果鉴定。鉴定委员会听取了课题组汇报、审阅了成果资料，经质疑和讨论，形成如下鉴定意见：
1 、课题组提供的技术资料规范、齐全，符合鉴定要求。
2 、建立了集激光雷达、航空摄影及倾斜航摄于一体的多重三位激光测量系统，采用低空多角度摄影方式，实现了城市空间基础数据高效采集，降低了数据采集成本，经济效益显著。
3 、建立了基于多重三维激光扫描雷达系统的城市真三维模型构建方法，形成了多源数据一体化采集与处理技术流程，为快速高效建设城市真三维模型提供了支持，具有推广应用价值。
综上所述，该项目成果具有创新性和实用性，达到国内领先水平。
建 议：在机载 LIDAR低成本快速构建三维城市方面进行深入研究。
应用前景：
多重三维激光测绘系统集成使用了机载激光雷达、地面激光雷达、数码相机、 GPS（全球定位系统）、 IMU（惯性测量器）以及斜拍数码相机等设备，能够快速、智能、优质的实现客观事物真实还原和高精度逆向三维建模及重构，将对城市、水利、电力、交通、工矿、农林、文物等各个领域的勘测和数字化应用产生深远的影响，是遥感测绘领域的一场技术创新革命。
多重三维激光测绘系统可以快速提供高精度的三维地形数据和城市建筑顶面和侧面纹理信息数据，可以实现城市三维模型的快速、真实的、高精度的逆向三维建模和重构，相对于传统的遥感或实地测量相比，具有速度快、精度高、时效性强、更新方便等特点将会广泛的应用于数字城市建设中。多重三维激光测绘系统可以对各种文物古迹、乃至大型建筑物进行扫描和存储，通过获取古建筑的激光点云数据、正射影像数据以及多角度侧面纹理数据，进而构建出古建筑文物真实的三维模型，可以为文物的修复提供技术保障。