基于车载点云数据制作道路全要素三维实景模型

时间：2024-08-31

李婷赵祥

(1.浙江省国土勘测规划有限公司浙江杭州 310030；2.浙江省测绘科学技术研究院浙江杭州 310030)

全要素实景模型是以全要素、全空间的地理信息数据为基础建立的三维空间模型和信息的有机综合体。全要素实景模型将数据细化到城市单体建筑的一扇窗、城市道路设施的一个探头，为城市精细化、智能化管理提供有力的数据支撑。与传统的数字城市模型相比，全要素实景模型升级为动态、可感知且虚实交互的数字孪生城市，是智慧城市建设的新起点。全要素实景模型按照区域划分为道路三维实景模型与非道路三维实景模型。道路三维实景模型主要是根据测量数据或设计资料来制作三维模型，表达道路、桥梁、交通轨道以及道路两侧的交通附属设施的空间分布情况，同时反映交通相关要素的空间位置、几何形态及其外观效果等。

车载激光扫描系统能在高速移动状态下获取道路以及道路两侧的建筑物、树木和交通标牌等地物表面的精确三维信息，具有数据采集速度快、自动化程度高、受天气影响小、数据内容丰富等传统测绘手段无可比拟的优势[1]。李俊超等[2]运用AutoCAD Civi13D和3ds Max Design获取道路的三维景观模型，秦涛等[3]利用G1S路网数据进行道路三维参数化建模，但利用这些方法制作的三维模型存在精度受限的问题。本文以车载激光点云数据为数据源，制作全要素实景模型中的道路全要素实景三维模型。

1 道路全要素三维实景模型制作

1.1 技术指标

研究区域为某城市的一个主干道，交通网络系统发达，城市道路面标线要素丰富，道路两侧小部件种类多。使用移动车辆搭载华测AS900激光扫描系统采集一个车次(共16 km)的激光点云数据。

本项目道路全要素三维实景模型制作以需求导向为目标，不同交通要素精度要求不同。其中，平面位置精度和高程精度均分为两个等级，具体技术指标如表1所示。

表1 道路全要素三维实景模型平面位置精度和高程精度要求单位:cmTab.1 Accuracy of Plane Position and Elevation of Road Total Fators 3D IVR Models精度等级实体类别平面位置精度高程精度一级城市道路面、城市道路部件≤15≤20二级城市道路行道树≤25≤40

1.2 道路全要素信息提取

根据现场实地地物的特性，道路地物类别主要分为点状要素和线状要素两大类。点状要素主要包括探头、红绿灯、路灯和消火栓等，线状要素主要包括道路边线、道路标线、地类界线和盲道中心线等。

提取点状要素的定位点时，定位点应准确描述其几何定位，有向点应确定其方位角。城市道路部件作为点状要素进行采集，采集流程为：首先，结合全景影像，在点云视图中切换不同视角确认点状要素的具体位置，选取其中心位置，并放置点状要素(对需要调整角度的点状要素进行调整)；其次，调整视角，确保最后获得的点状要素矢量数据的类型正确、位置准确(高程为落地点高度)。

提取线状要素的定位线时，定位线根据轨迹描绘，走向明确，衔接合理。城市道路边线、道路标线作为线状要素进行采集，采集流程为：首先，结合全景影像，在点云视图中利用几何信息区分有高低起伏的线状要素(如道路边线)；其次，利用强度信息区分强反射线状要素(如道路标线)，利用颜色信息区分纹理反差明显的线状要素(如地类界线等)；最后，切换不同视角将所有线状要素特征点均选取在实际线状地物宽度的中心位置，以真实反映地形起伏情况。

道路中典型部件采集及道路完整信息采集三维矢量成果如图1所示。

图1 道路中典型部件采集及道路完整信息采集三维矢量成果Fig.1 Collection of Road Typical Parts and 3D Vector Results of Road Complete Information Collection

1.3 道路全要素三维模型制作及精度分析

1.3.1 道路全要素三维模型制作

道路全要素三维实景模型的制作范围为从道路一侧的人行道最外侧边缘至道路另一侧的人行道最外侧边缘(包含两侧人行道)，制作内容为范围内的所有城市道路和道路两侧城市部件等各类要素的三维模型，主要包括交通道路要素模型和交通部件要素模型。交通道路要素模型主要包括道路(城际公路、城市道路和乡村道路等)、地面上轨道交通(铁路和轻轨等)以及桥梁(高架路、车行桥和人行桥等)；交通部件要素模型主要包括以工矿设施和交通设施为主的城市道路部件，如路灯、照射灯、红绿灯、垃圾箱、公共取水点、电信箱、电力箱、交通禁令标志和消防栓等。

1.3.1.1 道路部件制作

在构建城市道路及其附属部件三维模型场景之前需要构建模板库。模板库构建包括两部分内容：第一部分，利用3DMax软件，结合影像信息获取地物的具体形态，根据点云数据获取地物的真实尺寸，进行白模制作；第二部分，根据现场实拍影像制作模型纹理，通过展UV的方式进行模型贴图。路灯白模制作及制作完成的模板如图2所示。

图2 路灯白模及构建的模板Fig.2 White Model and Template for Construction of Street Lamps

道路部件模型包括交通红绿灯、消火栓和路灯等。在制作此类模型时，由于面片较多，计算机内存消耗量大，降低了3DMax软件的灵活性，所以需要在保证模型与实物形状一致的前提下减少模型面的数据。例如，在制作行道树模型时，使用二叉面技术，即在行道树模型侧视图建立两个面，这两个面相互垂直且有相同的纹理。这种制作方式不仅能够提高工作效率，减少工作量，还能将树叶与树干外的部分设置为透明，以增加真实度，提高视觉效果。制作完成的部分城市道路部件模型如图3所示。

图3 部分城市道路部件模型Fig.3 Parts of City Road Component Models

1.3.1.2 道路面模型制作

利用三维矢量数据中的道路边线、地类界、标志标线和高程特征点等要素构建道路面和花坛等。首先将车道边线、道路标线、车位范围线和人行横道线等线状要素加载到3DMax软件中，然后通过手工方式进行建模，制作完成的道路面模型图4所示。建模过程中需要注意以下几点：

图4 部分城市道路面模型Fig.4 Parts of City Road Surface Models

1)由于道路较长，为了避免操作失误带来的大量返工，应进行分段建模，每段长度不超过500 m，切割过程只分割路面；

2)主干道上对象的平面位置和高程与矢量图保持一致，高程起伏较大的地方需增加适量的特征点线来保证路面的精度(高差超过20 cm应加入特征点或特征线)；

3)路口需单独分开制作，路口起伏较大时需加入适量的高程特征点来保证路口模型的精度；

4)主干道路上的标志标线、花坛、桥梁、护栏、道路分隔设施、隔音板、减速带、龙门架和安全岛等地物需单体化，并且应保证路面、标志标线、盲道、花坛、桥梁和栅栏等地物的无缝拼接。

1.3.1.3 道路部件摆放

通过自动或半自动的方式，根据三维矢量数据中各部件的类型、位置和朝向，将模板库中的模型放入道路面三维场景中。在城市道路部件摆放的过程中应注意以下事项：

1)部件按要求单体化，应与三维矢量地形图一一对应(个数对应)，部件的对象名称应与相应属性表中FileName3D字段的内容保持一致(名称对应)。

2)部件的轴心点要与矢量提取点保持一致，部件与地面贴合，不能出现明显的漂浮或过度穿插现象；小品部件数量、朝向和样式(结构、尺寸、纹理)严格保证与实地一致；红绿灯、探头和牌类(尤其是组装式地物)在保证杆落地中心位置正确的情况下，其空间位置也要满足相关的精度要求，与相应位置的点云数据差距不得超过30 cm。

3)部件不能出现逻辑错误，如路牌高低位置放反，纹理贴反、贴错等，纹理分辨率为2n个像素，且不超过 1 024×1 024个像素，地面分辨率为72 dpi；纹理贴图文件为jpg格式，透明贴图文件为png格式。部件加入到道路面场景中的展示效果如图5所示。

图5 道路三维实景模型展示效果Fig.5 Display Effects of Road 3D IVR Model

1.3.2 道路全要素三维模型质量检查

本项目按照100%比例对道路全要素三维实景模型进行内业详查，检查内容包括命名检查、精度检查、几何数据检查、纹理数据检查、属性数据检查和效果数据检查。其中，命名检查是检查模型文件、模型和纹理的命名是否符合技术标准要求，包括模型文件名称检查、模型名称检查和纹理名称检查。精度检查是在模型制作完成后对模型精度进行检查，包括平面位置精度检查和高程精度检查。几何数据检查是检查模型的几何数据是否符合技术标准的要求，包括模型完整性检查、模型正确性检查、模型重叠面检查和模型面数检查。

纹理数据检查是检查模型的纹理数据是否符合技术标准的要求，包括纹理完整性检查、纹理正确性检查、纹理分辨率检查、纹理尺寸检查、透明纹理检查和纹理纯净度检查。

属性数据检查是检查模型的属性数据是否符合技术标准的要求，包括属性字段检查、字段类型检查、属性完整性检查和属性表关系检查。效果检查是在模型烘焙完成后进行的检查，包括模型亮度检查和模型烘焙检查。道路全要素三维实景模型可能出现以下质量问题：

1)道路面的标线与道路面不贴合，存在较多间距过大或穿插的现象；

2)部件模型的数量、朝向和样式(结构、尺寸、纹理)与实地不一致；

3)道路部件模型存在大量错漏，如缺少人行红绿灯、绿化内缺控制箱等；

4)道路模型存在大量错误切割情况，如切割了标志标线和花坛等；

5)部件模型的名称与道路地形数据中FileName3D字段内容不一致，导致模型属性无法挂接。

在本项目内业检查过程中，质检人员对检查出的错误进行标注，并返给作业人员进行修改，作业人员修改后再返回质检人员进行核查，最后，质检人员还需要对修改后的道路全要素实景模型进行核对。将制作完成的道路全要素三维实景模型与道路矢量数据进行坐标比对，对道路全要素三维实景模型精度进行统计，统计结果如表2所示。

表2 平面位置精度与高程精度统计结果单位:cmTab.2 Statistical Results of the Accuracy of Plane Position and Elevation序号类别名平面位置中误差高程中误差1城市道路面±4.5±5.42城市部件±4.6±6.33行道树±15.3±6.4

根据表2的统计结果，以车载激光点云数据为数据源，制作的道路全要素实景模型中的道路实景三维模型的平面位置精度与高程精度满足项目设计要求，道路全要素三维实景模型满足成果质量要求。