基于多时相机载LiDAR点云的建筑物三维变化检测

中国测绘科学研究院 刘正军 左志权 燕 琴 谢小伟

中测新图(北京)遥感技术有限责任公司 刘 沛

徕卡测量系统贸易(北京)公司 刘 楠

一、引 言

本文利用机载激光雷达三维扫描技术，针对同一监测区域分析对比多时相的数字表面模型(digital surface model，DSM)成果数据，探索城区建筑物的变化检测方法;通过多时相点云进行精确的相对配准，并进行阈值分割与统计分析，将变化图斑按照新建、拆除及扩建等属性进行分类和赋值，实现了城市建筑物的三维变化检测，形成了可行的技术路线和方法流程。

二、3D变化检测方法

采用不同期机载LiDAR点云，针对城市区域建筑物进行3D变化检测的主要思路是：首先将GPS、IMU融合处理后生成的高精度航迹数据与激光测距数据解算生成扫描区域的点云数据，并利用同一时相内部的检校场数据实现基于安置误差模型的点云粗配准;其次，分别对不同时相的点云数据进行预处理，其过程包括噪声剔除、点云滤波/粗分类，对不同实现数据进行3D表面匹配及配准转换，并进行点云栅格化处理;最后，针对栅格化后的差值图像进行变化区域信息提取，其过程包括按高差阈值进行图斑粗定位、栅格区域的矢量跟踪与边界拓扑重构、交互式地物判读与综合处理，以及变化图斑区域的信息统计与属性标注等。基于点云的3D变化检测的流程如图1所示。

图1 点云3D变化检测流程图

1)在检测流程中，采用3D表面匹配技术进行配准，能一定程度地消除不同时相数据的套合差异，降低图斑的破碎程度。

2)将配准后的不同时相点云进行同分辨率栅格化处理，然后进行高程相减操作获取差值图像，最后采用交互式方式进行变化信息的半自动提取。

3)根据阈值分割结果，参考变化前后两幅影像，在ArcGIS软件中目视判断分别提取新建、扩建及拆除的建筑物区域，并统计其面积、平均高程等。

三、试验分析

1.数据描述

试验区选择在河南省安阳城区，约9 km2。试验区以平原为主，地形起伏缓和，建筑物类型多样且高度差异较大，其西北部、东部分布有小片植被，北部有河道。试验区数据由机载激光雷达系统获取，坐标系统为WGS-84，采用UTM投影和大地高，数据情况见表1。

表1 试验数据集参数列表

试验区2009年与2010年两时相的DSM晕渲效果如图2所示。

图2 两个时相的试验区数字表面模型晕渲图

2.结果与分析

为了验证本文提出的城区建筑物3D变化检测方法的可行性，将上述两个时相点云进行差值相减，并针对变化图斑区域进行交互式边界提取与判读分析。其中，试验结果分为以下3部分：

(1)不同期点云的相对配准

不同时相的点云数据高精度配准是三维变化检测的基本前提，是降低伪检测风险、提高检测可靠性的关键技术。尽管利用检校场数据进行机载LiDAR系统误差估计与系统检校，可使不同时相点云数据都能纳入到统一绝对坐标框架，但由于局部坐标转换、系统误差建模不准确等因素影响，需要针对数据本身进行二次配准矫正，以进一步消除不同时相间的坐标偏差。本文采用3D表面匹配方法估计不同期点云间的7个正形变换参数，从而实现点云的精细配准。

(2)矢量图斑的半自动交互式提取与边界拓扑重建

针对配准后的两期点云，按照格网间距为1.0 m进行栅格化，将栅格化后的不同期点云进行差值相减，再按照设定的剔噪阈值将点云中较破碎的图斑进行滤除，最后将栅格图斑进行边界跟踪，并完成矢量拓扑重建与规则化。半自动提取的图斑如图3所示。

图3 变化建筑物区域的矢量图斑

(3)变化地物属性统计与标注

为了更进一步定量描述变化区域的属性特征，按照下属阈值设定规则对变化图斑进行。其阈值设定规则为：针对绝对高度大于3 m，高度变化大于1.5 m的实体进行检测，以区域面积大于5 m2的图斑为统计对象进行属性标注。其统计后的结果见表2。

为了更直观地反映属性统计的合理性与准确性，需将套合叠置后的两时相点云进行剖面分析，将不同变化类型的建筑物列举出来，如新建建筑物、拆除建筑物、扩建建筑物。

表2 不同类变化建筑物属性统计表

四、结 论

通过本文试验，验证了采用不同时相机载LiDAR点云差异进行城市三维变化检测的方案基本可行，主要结论如下：

1)建筑物、树木等实体的变化检测精度与点云密度、绝对定位精度密切相关，因此需根据检测任务需求，制定合理的数据采集方案，并控制点云的绝对定位精度。

2)针对不同时相点云相对配准能提高点云套合精度，从而降低差异图像的图斑破碎程度，有效抑制误检率。

3)将不同时相点云进行栅格化后的高程差值图像作为变化检测数据源，可简化检测流程，缺点是降低了建筑物边界轮廓清晰程度，并对树木等疏松质地的地物检测效果不好，需探索更优化的检测模型。

本文试验表明，不同时相的数据与变化结果数据保留了城市土地利用发生变化的最原始、最准确空间三维信息，若结合相应的专题图与影像资料进行空间分析，可以简单、高效地提取不同地物的三维变化信息，为土地利用变化监测、违法用地查处、水位变化监测、车辆的移动变化等相关业务提供可行的技术手段。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)