余林清，李航宇，马婷婷，陈国民，胡平
成都市规划信息技术中心 610042
摘要：构建城市建筑房屋模型是协调城乡空间布局、改善人居环境、促进城乡经济社会全面协调可持续发展的有效手段。本文通过GIS数据分析、清洗、融合等技术手段，利用机载Lidar点云数据等基础测绘产品进行三维建筑房屋模型建模。该模型的应用不仅减少大量现场踏勘等基础工作，还可以从城市空间形态、开敞空间等方面优化完善规划方案和城市设计方案，为下一步的建筑分层、分户等精细化应用奠定基础。
关键词：Lidar点云数据；房屋面；建筑模型；实景三维
1引言
随着智慧城市的纵深推进，各行业等对城市三维模型提出了巨大需求。建筑房屋模型作为城市三维的核心构成部分，已逐渐成为人们关注的焦点[1,2]。为构建高质量的房屋模型，学者们就提取建筑房屋开展了广泛的研究，所使用到的数据源包括成果卫片、成果航片、点云数据等。机载Lidar技术具有全天候、大范围、高精度且穿透力强等显著优势。即便房屋表面被遮蔽物遮挡，也能通过该技术手段提取屋顶表面数据[3]。目前，已有诸多学者从事该领域研究。文献[4]提出了在基于机载Lidar点云数据生成深度影像后，结合区域生长分割法、形态学法进行建筑物轮廓提取。文献[5]提出了通过建筑物区域确定、建筑物顶面分类后,进行建筑物特征线提取等。通过研究分析得知，以上技术手段虽然能够得到较为理想的建筑物区域，但仅有房屋轮廓信息，未充分利用激光点云三维坐标信息，未充分融合新型基础测绘产品。基于此，本文尝试了利用机载Lidar点云数据等新型基础测绘产品构建城市建筑房屋模型的研究。实践证明该技术路线可行、有效。
2 总体思路
模型构建可分为三个阶段：
（1）栅格模型输出：通过对云数据滤波、自动化分类、精细化人工编辑后，内插输出数字高程模型（DEM）与数字表面模型（DSM），为第二阶段的房屋高度属性、第三阶段建筑单体矢量提供数据源。
（2）二维房屋面模型构建：对DEM与DSM执行布尔运算，输出反映各类地物高度的模型成果。以地理实体房屋面为空间检索器，抽取高度分布模型中的连续性灰度值，结合面积加权平均算法，提取各房屋图形的特征高度值，最后利用地名地址引擎融合审批办件项目指标信息、附件信息等。
（3）三维建筑房屋模型构建：使用倾斜摄影测量成果及Lidar点云数据，生产实景三维数据。基于统一时空基准，融合二维房屋面模型成果，最终形成面向服务的城市建筑房屋模型。
3模型构建
3.1 栅格模型构建
栅格模型构建包括一下步骤：
（1）噪声点滤除：点云数据采集过程中因存在人为误差、仪器误差等因素影响，导致成果数据中存在少许粗差点，如极低点、极高点、孤立点等。因此需先对原始点云数据进行噪声点处理。根据区域地形和航摄时平均高程设置，设定相应的低点（Hmin）和高点(Hmax)，在低点和高点区间外的可作为噪声和异常值剔除。
（2）自动化分类：在TerraSolid软件中，首先对Lidar原始数据点建立网格分块索引，并利用编写的宏命令逐块进行滤波分类，以区分出地面点、水域、建筑物、植被等不同类别。
（3）人工编辑：在初分类的数据基础上，通过人工编辑，将自动分类中处理不正确的数据编辑到正确的数据层中，将点云数据区分为地面点层、建筑物层、交通层、植被层，可通过剖面显示来进行分类。分类成果如图1所示。
图1 人工编辑后的点云分类成果
（4）数字高程模型：对分类后的地面点云数据进行修正编辑。利用经过检查合格的地面点及人工编辑的断裂线，内插生成 DEM成果。
（5）数字表面模型：利用的地面点层、建筑物层、交通层、植被层激光点云分类成果，内插生成DSM成果。
3.2 二维房屋面模型构建
考虑到基于栅格影像自动化提取房屋轮廓准确度不高，难以满足规划审批办件需求，本文提出了结合已有地理实体房屋面数据构建二维房屋面模型。
（1）地物高度分布模型：通过DSM与DEM地图代数运行，可输出差值栅格模型，用为下一步房屋高度计算。
（2）房屋高度属性值提取：以房屋面图元或记录为基本单元，置为空间过滤器，叠加在地物高度分布成果图上，采用面积加权法算法,获取当前区域栅格灰度值。
（3）图文信息挂接：审批办件项目在办理过程中，有建设地址信息，通过地名地址引擎可获得当前项目空间点位信息，完成图文信息挂接。
3.3三维建筑房屋模型构建
在城市规划管理与国土空间资源管理过程中，二维房屋面模型并不能直观反映报审项目与周边城市现状环境的空间关系，也不能进行天际线分析、通视分析等应用，所以还需利用机载Lidar点云数据及倾斜摄影测量成果生成实景三维数据成果，再统一空间基准，融合已构建的房屋面模型，这样不仅可以查看三维模型相关属性，而且可定位查询项目所处审批阶段和具体审批内容，实现在三维中全流程监管项目。
4 结语
基于以上技术路线搭建的建筑房屋模型，不仅可减少大量现场踏勘等基础工作，还可以从城市空间形态、开敞空间等方面优化完善规划方案和城市设计方案，为下一步的建筑的分层、分户等精细化应用奠定基础。
当前该模型成果已广泛应用在数据管理体系框架中。此外，基于统一的空间基准与地名地址服务引擎，可深度融合现有各类基础测绘产品、新型测绘产品、国土空间规划成果等，可无缝衔接项目审批阶段，发证情况等审批专题数据，可形成一个完整的城市信息模型库，为数字孪生城市建设提供有力支撑。
[参考文献]
[1] 赵凌君.高分辨率SAR图像建筑物提取方法研究[D]．国防科 学技术大学，2009．
[2] IEEJ,HANS,BYUNY,et a1.Extraction and regularization of various building boundaries with complex shapes utilizing distribution characteristics of airborne LiDAR points[J]．ETRI Journal，2011，33(4)：547—557．
[3] 华意，宋爱红，李新科．机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术[J]．测绘与空间地理信息，2006，29(3)：58—63.
[4] 贾野.基于机载LiDAR点云数据的建筑物提取方法研究[D].辽宁工程技术大学,2015.
[5] 孟峰,李海涛,吴侃.LIDAR点云数据的建筑物特征线提取[J].测绘科学,2008,33（5）:97-99.doi:10.3771/j.issn.1009-2307.2008.05.034.