城市建模范文

城市建模范文（精选10篇）

城市建模 第1篇

1 数字城市建设的现状及基本框架

1.1 数字城市建设的现状

近年来, 我国数字城市建设呈现出强劲的发展态势, 据统计, 全国有将近700 个大、中城市, 约有30 000个小城镇已经开展了“数字城市”建设工程。“数字城市”作为城市信息化建设的关键环节, 涉及到城市规划、管理、文化、经济等社会生活各领域。

1.2 数字城市建设的内容及技术

1) 数字城市建设主要包括:建立由城市空间基础信息平台、城市综合信息平台和城市电信基础平台组成的核心系统, 通过该系统的正常运转实现信息的共享;建立应用系统;建立网络与信息接入设备, 通过这些设备可以直接面向终端用户服务;建立政策法规与保障体系, 该体系能够为数字城市的建设及运行提供法律、经济、标准、组织和管理等方面的保障;

2) 数字城市建设的信息支撑技术主要包括遥感技术、全球定位系统 (GPS) 技术、地理信息系统技术、城市综合功能GIS技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络等, 可以将这些技术进行组合应用, 最终达到城市空间数据的获取、分析、归纳及整合;

3) 数字城市的服务对象主要包括政府, 企业, 社会以及公众四方面。

2 三维数字城市模型的构成及分类

三维数字城市模型主要由基础数据, 三维模型, 运行环境 (包括硬件环境和软件环境) 及三维投影设备组成。

2.1 模型的总体构成

城市三维地理信息服务系统通常使用B/S模式, Web服务器可以完成数据的发布服务器与使用终端的无缝链接, 并在浏览器环境下为用户提供正常的数据浏览以及查询服务。城市三维地理信息服务系统的应用体系一般由数据层, 功能展示层, 应用服务层构成。

2.1.1 数据层

数据层一般是利用地形数据融合软件, 将遥感影像数据和高程数据融合成三维场景, 再经过压缩处理后形成地形文件 (MPT) , 再以数据流的方式被读取出来。 WFS (Web Feature Service) 和WMS (Web Map Service) 会被进行规范化处理, 通常以OpenGIS数据服务接口进行规范, 并提供二维数据服务。

2.1.2 功能展示层

功能展示层可以提供完整的用户界面, 支持系统完成三维地理信息的浏览、查询、分析以及展示等功能。同时, 还可为其他增值业务提供一些扩展接口, 满足未来的业务扩展需要。

2.1.3 应用服务层

应用服务层是通过空间数据网络提供三维数据的服务接口, 提供各种行业的使用服务。例如公共安全, 交通国土资源, 水利, 虚拟旅游以及电力能源等领域。

2.2 模型分类

2.2.1 地形地貌三维模型

为了将地形的高低起伏状态真实地模拟出来, 通常是利用基础测绘数据, 如带有高程值的数字线划图, 建立地面高程模型 (DEM) , 再根据具体的制作要求作成不同的高程模型。一般情况下, 正射影像 (DOM) 的数据可通过一些影像的数据分析得到, 这些影像具有不同的分辨率, 主要影像有遥感影像、高分辨率的航空影像、低空摄影及近景摄影等。可以根据要求选择不同的影像数据, 再根据统一的空间参考系, 将正射影像叠加到地面高程模型上, 这样就得到了一个真实反映地形地貌的三维模型。

2.2.2 现状建构筑物三维模型

作为三维模型中的重要组成部分, 现状建构筑物主要由两部分构成:一类是房屋, 道路, 人行天桥, 桥梁, 隧道, 堤坝, 公园, 绿地, 树木等地物要素;另一类是路灯, 消防栓, 井盖, 公交车站等城市附属设施。现状建构筑物模型制作时耗费的工作量大、周期长, 因此, 在制作模型前应先根据精度要求进行选择, 制作出不同的模型。而对于一些对精度要求标准较低的规则形状建构筑物, 可采用大批量机器建模生产的方法, 如果建构筑物顶端纹理较为复杂, 可以使用高分辨的影像, 进行贴图处理。对于不规则形状的建构筑物, 可使用机械和手工相结合的建模方式, 纹理可通过实地拍摄, 再经过专业的图像处理软件加工, 最后贴图。

2.3 规划设计三维模型

三维模型的规划设计主要是用来满足城乡规划管理的需要, 规划设计师在三维软件中进行设计必须与现状三维模型融为一体, 并根据现状三维模型的真实环境对具体模型进行修改、调整、替换, 或在三维仿真系统上重新生成新模型, 包括设计和定义位置、朝向、形状、高度、外部色调和纹理等, 这些修改调整都需要在统一的空间参考系中按照比例进行。

3 三维数字城市模型的获取与建模方法

3.1 三维城市模型获取方法

三维城市模型获取方法如表1所示。

3.2 三维城市模型的建模方法

三维城市模型的主要任务是先对城市的三维环境进行数字化表达, 然后进行可视化处理, 同时, 能够提供相应的操作与分析功能。目前, 城市三维景观的构建有许多方法, 具有代表性以及比较常用的有以下一些类型:

1) 基于单纯形的3DGIS数据模型物和虚拟城市景观模型重建法。可以将城市的实体模型按照维数划分为0 维、1 维、2 维、3 维四类, 相应地用0、1、2 、3 的单纯形来对应表示构建。同时, 将地形作为城市各种建筑物的承载体, 用TIN来表示, 称作2.5 维, 用2DGIS矢量线划数据来确定建筑物的平面位置, 属性高度、建筑物的侧面纹理由数字相机获取, 顶部纹理由航空遥感数据获得, 生成景观模型;

2) 基于航空影像生成城市三维城市景观。将建筑物按照外形特征分成平屋顶房屋、“人”字型屋顶房屋和复杂房屋, 并分别采用不同几何数据模型进行构建;

3) TIN表达地形法, 是用BP、CSG表达以点、线、面、体形式存在的空间实体城市三维GIS数据模型, 并在立体空间中逐层引入空间信息, 同时, 为每个对象建立属性特征和空间关系;

4) 按城市建构筑物功能或形状分层的组合模型方法构造建筑物模型。

上述4种模型各有特点, 适合不同的应用领域, 三维实体和应用的复杂性使得一种数据模型难以满足不同的需求。 因此, 建立理想的城市数据模型, 不仅要考虑各种几何建模方法的特点, 还要顾及到三维数据获取的难易度, 数据获取是关键。

4 三维建模技术应用及未来发展

4.1 三维建模技术应用

近年来, 以三维城市模型为基础的三维数字技术已成为国内外科技关注的热点, 在确保三维模型数据的一致性、可靠性和有效性的前提下, 应该使数据的更新、维护和共享更加便捷, 进一步推动三维数字技术在城乡规划、建设管理、抢险救灾、应急指挥、文物保护、招商引资等方面的广泛应用。

4.1.1 用于城市规划

对城市的未来形态进行预演, 消失的城市形态也可以重新模拟出来, 并根据规划成果随时进行修改, 从而获得城市规划方案调整的科学依据, 使城市规划更具前瞻性。

4.1.2 用于旅游

建模技术不仅可以展现城市现有景观, 而且能够再现不复存在的和正在规划建设中的景点, 从而对城市起到宣传作用, 有助于扩大城市影响、吸引投资和游客。

4.1.3 用于城市管理

三维建模技术可以完成城市灾害事件和突发事件的动态模拟, 实现城市各类信息的可视化查询, 为政府对城市的管理和服务提供决策。

4.1.4 用于城市环境动态变化研究

使用三维技术可以将大量的统计数据转换成容易理解的图像, 表现人类活动对环境施加的压力, 预测不同人类活动条件下的环境效应。

4.2 三维建模技术的未来发展方向

由于城市三维景观主要是人工建筑物, 因此, 三维建筑物信息的获取与建模一直是城市建模的主要内容。近年来, 一些新的建筑物三维重建方法陆续被提出来, 其主要发展方向有以下三个方面:

1) 数据的多元化、多线索和多信息的引入及融合;

2) 提取过程中知识的运用渗透到从低级到高级处理的各个层次, 在识别匹配推理过程中引入较多的人工智能理论与方法;

3) 建筑物模型的多样化, 如参数模型、棱柱模型、多面体模型以及构造实体几何模型 (CSG) 等, 提取策略逐渐由单纯的模型驱动或数据驱动转向二者混合运用。

5 结语

城市现代化建设是城市信息化建设的主体, 在工业化、城镇化、市场化、国际化、信息化的大背景下, 数字城市是未来城市建设的发展方向。三维城市模型是以三维数字技术为基础, 给城市建设带来了数字化的思维及设计方式, 更为城市的规划和管理提供方便、直观、可行的平台。随着科技的发展, 三维数字技术发展会越来越快, 其作用也将越来越大, 有着良好的发展前景。

参考文献

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[6]徐爱梅.城市三维景观建模与可视化研究[D].江西:江西理工大学, 2008.

[7]郭志佳.基于GIS技术的哈尔滨市二环地区人居环境评价[J].交通科技与经济, 2012, 14 (5) :121-124.

城市建模 第2篇

作者：王新朝 文章来源：论文网 点击数：488 更新时间：2010-3-9 18:34:0

3摘要：随着经济社会的发展，由地质构造条件、人类工程活动等综合因素引起的生态地质环境恶化已日益显露出来，引发的各类地质灾害也日渐突出，制约了城市的发展，影响了人民生活质量。本文城市地质环境与城市规划的关系进行了系统的研究和分析，讨论了我国城市规划中常遇见的几种地质环境问题。并且提出我国面临的环境地质问题及相关解决方案。

关键词：地质灾害，环境地质，城市规划

近半个世纪以来，随着世界城市化步伐加快，不仅是经济发达国家，即使是发展中国家也都愈发感到城市地质状况是城市科学规划、土地合理利用的必要条件。因为城市的工业、住宅、交通、供水、能源、地下空间的合理布局与利用，城市废物和污水的排放处理以及与城市环境有关的一系列问题的解决，都无法回避它们与城市地质条件之间的直接或间接联系，只有适应和合理地利用城市工程地质条件，酌情改造和治理城市工程地质条件，才能从中谋取巨大的经济效益[1,2]。本文就城市地质灾害分析与防治方面进行研究，提出我国面临的环境地质问题及相关解决方案。城市规划中环境地质研究

城市规划是根据社会经济发展目标，确定城市性质、规模和发展方向，合理利用城市土地，协调城市空间布局，进行各项建设的综合部署和全面安排。地质环境是岩石圈上部同人类活动密切相关，又与自然环境其它系统相联系的地质空间，它的上界是地表，下界是人类工程、技术活动达到的地壳深度。地质环境与环境地质，有完全不同的含义和性质。与地质环境的区别在于，环境地质是研究人类技术、经济活动与地质环境相互作用、影响的学科，是以地质环境为研究对象的科学。地质环境是有空间概念的，而环境地质没有空间概念。

地基，所有建筑物都由地基承载，地基由岩层或土层构成，其岩性及结构不同，具有不同的承载力。对于建筑物，无论坚硬的岩石或较软弱的岩石，对建筑物的承载力一般均能满足。区域稳定性。主要是指由于地球内力作用引起的构造活动，特别是断裂活动、地震活动等对一个地区的影响程度。区域地质构造稳定性对城市的建设与兴衰至关重要。地震。主要是避开在强震区建设城市，地震烈度九度以上不宜选作城市用地，烈度七度以上，要有防震措施，在城市规划时，要按照地震烈度及地质、地形情况安排城市措施。例如重要工业不宜放在软地基、古河道或易于滑坡的地区。地质安全性，主要指现代地质作用对城市的影响。岩石风化、冲沟、泥石流、滑坡、崩塌、海岸的冲刷与堆积、多年冻结等。由于城市常占据较大的地域，因而各种现代地质作用均可能发生。地下水供水条件，地下水是城市用水重要的来源，在干旱区域是城市的主要水源，地下水贮存条件，水量、水质、水温对城市建设开发均有很重要的关系。水是城市的血液，当一个城市地区水源充足，水质良好时，可以安排耗水量大的工业项目，这也是城市规模不断扩大的基本保证，否则就要限制城市发展规模，尽量安排耗水少的工业项目，以免引起一系列的问题。

自然的变异和人为的作用都可能导致地质环境或地质体发生变化，当这种变化达到一定程度、其产生的后果便给人类和社会造成危害，称为地质灾害，如崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自然、黄土湿陷、岩土膨胀、砂土液化，土地冻融、水土流失、土地沙漠化及沼泽化、土壤盐碱化，以及地震、火山、地热害等。地质灾害的分类，有不同的角度与标准，十分复杂。就其成因而论，主要由自然变异导致的地质灾害称自然地质灾害；主要由人为作用诱发的地质灾害则称人为地质灾害。

我国自然环境明显地受到大陆地壳运动的内动力制约，是大气、水、岩土和生物圈相互作用的结果。在西部，印度洋板块与欧亚板块的碰撞导致了喜马拉雅山脉的形成和青藏高原的隆起。与此相对照的是，华北和东北的沉陷和低平原的形成则是太平洋板块向欧亚板块的俯冲，引起弧后拉张和大陆边缘的弥散，出现拉伸构造而形成的。与此同时，菲律宾板块与欧亚板块东南边缘的碰撞，形成了著名的台湾地震带，我国大陆东南沿海地区受其影响，形成了东南亚沿海地震带。现代地壳构造格局决定了中国大陆的总体地势格局，即从东到西呈整体上升的三级阶梯状地势面。在上述地势的影响下，原先影响西北地区的印度洋湿润气流受阻，使西北地区转为干旱—半干旱气候，形成新疆和内蒙古大面积戈壁沙漠及甘陕黄土高原与此同时，东南地区的海气入侵，温热潮湿气候与西北地区形成鲜明对照。这又构成了我国气候的总体格局。这种气候和地势的地域格局决定了我国自然环境的总格局和自然灾害的分布规律。所以，我国城市环境地质问题突出表现在以下几个方面：

（一）突发性灾害包括崩塌、滑坡、泥石流灾害，这些灾害属于外动力作用形成的岩石圈灾害，具有相同的形成条件和分布规律；

（二）缓变型地质灾害，缓变型地质灾害包括地面沉降、地面塌陷和地面裂缝。由于开采地下水及工程建设，由此引发的地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷等地质灾害广泛分布于城镇、矿区和铁路沿线，成为影响城市人民生活，妨碍城市建设的重要环境问题，而且已经造成了巨大的经济损失，甚至人们的生命财产损失。长江三角洲、华北平原和汾渭地堑中的主要城市，是当前我国地面沉降三大区域；

（三）水资源短缺，我国水资源时空分布极不均匀，南方水多、北方水少，汛期洪涝灾害频繁、枯水季节干旱缺水问题突出。目前，地下水资源的过度开发及相关的生态环境问题和地质灾害，已成为制约经济社会可持续发展的重要因素，影响到广大人民群众的身体健康和生命财产安全；

（四）城市废弃物的任意处置，随着工业化程度的提高，受城市“三废”任意排放的影响，城市生态环境质量明显下降，水土污染日趋严重。在我国，工业固体废物每年产生量约 6×108t,城市生活垃圾约 1×108t，这些已构成严重的环境污染。目前全国有 200 多个城市陷入垃圾包围之中。粗略估计，全国每年固体废弃物造成的损失约为 300 亿元；

（五）城市特殊岩土环境问题，我国特殊岩土分布广泛，在外因作用下转化为次生灾害，造成工程结构物破坏，造成我国城市发展中特殊岩土环境问题；

（六）风沙尘暴灾害，风沙尘暴与人类活动密切相关，破坏城市环境。主要表现为城市空气中总悬浮颗粒物的浓度普遍超标。造成这种状况的主要原因是裸露地面和建筑施工。城市发展规划与地质环境适应性分析

地质生态环境则是城市生存与发展的重要依托，体现出其基础性、资源性的特点。而地质环

境同时具有灾害的属性，对地质条件认识不清或对地质环境开发利用不当，便有可能诱发或加剧地质灾害。随着城市化进程步伐的加快，城市地质生态环境问题也日渐凸显，并成为制约可持续发展的影响因素之一。城市规划应该在充分认识城市地质环境的基础上，以避免和减少规划布局中各种潜在与工程活动诱发的灾害所带来的昂贵的工程处理费用。

城市是人类长期对地质环境和地质资源合理开发利用与建设的结晶，城市的产生与发展与地质环境有密切的关系。一方面，任何城市都是建立在特定的地质体上，并组成城市的环境部分；另一方面，城市建设与发展又会改变原有地质环境的固有规律，引发若干环境地质问题。

城市规划的任务是根据一定时期城市的经济和社会发展目标，确定城市性质、规模和发展方向，合理利用城市土地，协调城市空间功能及进行各项建设的综合部署和全面安排。城市规划地质工作的研究内容也应是通过对地质条件、地质资源、地质环境的综合分析与评价，确定城市土地合理有效利用方案和建筑物的合理布局。

城市工程地质工作应着重研究如下问题：（1）城市所在地区的地质构造条件尤其是断裂带的分布及活动情况；（2）岩土地基的类型、出露和埋藏条件、工程地质性质，城市规划区不同地段的地基承载力；（3）斜坡稳定性分析与评价，尤其对滑坡、崩塌等不良地质现象作出综合分析与评定，以便在选择建设用地时避免不稳定的坡面；（4）城市地下空间可利用程度的工程地质研究。（5）矿业城市地质环境研究。对这些问题进行详细调查、分析和评价，最后作出城市工程地质环境评价与分区。结论

现代化城镇正处于经济高速发展时期，城市化进程也逐步加快，地质环境是影响城市安全和可持续发展的最重要因素，使城市发展建设尽量与城市地质环境相协调，应是城市规划、管理、建设追求的目标。本文通过分析环境地质相关问题，以期为现代化城市规划提供有益建议。

参考文献

[1] 张宗祜.地质环境与环境地质.环境地质研究[M].北京:地震出版社，1991.[2] 朱大奎，王颖，陈方.环境地质学[M].北京：高等教育出版社，2000

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数字城市三维建模关键技术研究 第3篇

关键词：数字城市；三维建模；关键技术；探讨

从专业角度分析，“数字城市”是“数字地球”概念的一种延伸和拓展，两者之间的差异主要表现在理解深度以及切入角度的不同，对于现阶段而言，理论上对“数字城市”并没有形成一个严格的定义，且研究过程中还存在着一定的分歧，但是随着研究的不断深入，有关“数字城市”的内容将会更加的丰富，研究也会越来越规范，其建设也会逐渐进入到正轨。

一、简述数字城市三维建模的主要内容

对于现阶段而言，建筑物的三维建模流程如下1所示。从理论上分析，所谓的三维空间数据其实质上就是对空间定位数据进行采集，同时它也是对三维模型进行建立以及编辑的主要依据，通过对三维几何模型的分析可以有效的提取有关空间的紋理数据以及相关的属性数据，也在一定程度上提高了对数字城市建设中GIS系统的应用性能。

1.1三维建模数据的获取。在进行三维建模的过程中，主要的工作内容就是对与建模有关的数据进行收集。数字城市建设过程中涉及到诸多的数据源，其中主要包括建筑物设计图纸以及与其相关的文档资料、城市的数字地图以及2DGIS数据库、摄影测量数据以及遥感数据等多方面的数据内容，但是就目前实际应用情况分析，数字城市三维建模使用到的数据为二维图形、地形数据、地标图像以及三维观测数据等。

1.2建模方式。对于现阶段而言，数字城市三维建模中建立模式方式多种多样，其主要有以下几种。首先CAD软件建模。A u to CAD软件在三维建模中具有十分重要的应用意义，这是因为该软件的二维图形绘制以及编辑功能比较完善，因此在目前二维图形绘制过程中CAD软件的应用作为广泛，但是其应用在三维建模中存在着一定的局限性，如渲染处理能力差等，因此该软件一般应用于较为简单的三维建模中。其次动画软件建模。一般情况下动画软件建模中使用较多是3DMAX等，该类型的软件在实际的应用过程中保证了模型的精确度，且其建模工具较多，这就为复杂三维建模的进行提供了一定的基础，但是由于其本身数据结构复杂，且数据量大，因此在地形叠加应用中受到了一定的限制。最后专业建模软件。常用的专业建模软件有M u tiG enC re a tor，该软件在实际的应用过程中其较为完善的功能最大限度的保证了大面积地形建筑建模任务的完成，同时该软件的模型数据的结构并不复杂.且在运行过程中还可以进行交互操作，实现了与影像、相关矢量数据等叠加处理。

二、探讨三维建模技术在数字城市建设中的应用

通过以上分析介绍可知，传统二维建模技术的应用在数字城市建设过程中受到了一定的限制，而三维建模技术由于其对三维空间表达的更为形象和直观，因而在数字城市建设中受到了广泛的应用，但是由我国对该技术的应用时间尚短，有些方面发展的还不成熟，因此应当加大重视研究力度，而接下来本文将以“skyline“中三维建模为主要研究对象，对3DMAX软件在对建筑物进行三维建模过程中的应用向详细分析。

2.1地形建模。一般情况下，在进行地形建模的过程中主要是通过利用某地DEM数据以及相应的遥感图像来构成三维地形显示图像的。首先在建模初期应当对DWG地形地图进行一定的处理，将不必要的图层删除，最终地形图中主要的内容有建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层，并对其中高等线图层进行提取以作进一步处理。其次将提取到的等高线图层数据做内插处理，为形成地形DEM提供基础条件。在制作地形DEM时可以全程都在A u to CAD和A rc GIS中完成。最后还应当对快鸟影像进行纠正以及投影变换处理，同时利用Photoshop软件对地形图进行适当的调色处理，直至符合相关的标准要求，通过以上流程“数字城市“的地形纹理就形成了，这同时也是数字城市三维建模的基础。

2.2建筑物建模。在对建筑物进行建模过程中，为了最大限度的提高建模效率，一般情况下会根据建筑物类型的不同做不同的建模处理，例如简单的纹理体块代表城市内部建筑，简单纹理体块叠加照片纹理代表沿街主要建筑，而对于一些数据结构较为复杂的代表性建筑可以通过利用3D AMAX软件进行处理，这样将会极大地提高体块了结构精细度。总的来说，通过对不同类型建筑进行不同建模可以极大地提高建模周期，对城市三维空间的显示等具有十分重要的意义。首先，对于普通建筑建模而言，将已经生成的地形数据集合在Te rraE xplo re rP ro软件运行之前导进建筑物矢量数据中，并根据高度的不同进行拉伸处理，以得到不同类型建筑物体块，但是在实际的处理过程中由于数据源本身存在着一定的时间差，因此部分建筑物与遥感图像中显示建筑物并不匹配，这时就必须利用Te rraE xp to te rp ro软件的3D-u ild ing功能，对建筑物不合理位置处进行三维建模，直至建筑物体块与遥感图像相匹配为止。其次纹理映射。对于建筑物而言，其纹理主要包括两方面的内容，即侧面和顶面。对于侧面纹理来说，利用Pho to shop软件对在试验区所拍摄的近景数码相片进行处理，例如裁剪、拼接、变化以及拉伸等多种基本操作处理，同时为了进一步减少数据量，最终相片的保存格式应当设置为JPG，另外为了提高相片的清晰度，分辨率应当设置为2的幂次方。而建筑物顶面纹理主要是在遥感图像中采集的，因此在对纹理图片进行一定的处理之后，还应当选取建筑对立面，进行纹理映射，以进一步提高数字城市三维空间表达的形象感和真实感。

结论：综上所述，对于现阶段而言，数字城市建设过程中应当对数据获取、三维建模以及模型的发布机和应用等三方面引起高度的重视，这样以来一方面可以最大限度的保障数字城市建设工作的完成，另一方面也可以满足当下社会发展的需求，形成双赢的局面，同时也在一定程度上推进了我国现代化城市建设的进程。

车载三维激光用于城市建模技术研究 第4篇

整个点云数据建模过程包括数据预处理和模型重建。数据预处理为模型重建提供可靠精确的点云数据, 降低模型重建的复杂度, 提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、点云数据的分类、不同站点扫描数据的配准及融合等;模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化等。实际应用中, 应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求, 选用相应的数据处理策略和方法。

1数据预处理

针对车载激光点云数据的特性, 将数据预处理方法分为两类, 半自动的数据预处理方法和全自动的数据预处理方法。

1.1半自动数据预处理方法

半自动的方法主要是利用现有的各种类型的点云数据处理软件, 如三维激光扫描仪配带的相应点云数据处理软件或逆向工程领域比较著名的商业点云处理软件, 一般都具有点云数据编辑、拼接与合并、数据点三维空间量测、点云数据可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能, 但它们往往具有通用的处理功能, 对于特定的数据处理效果有一定的不足之处, 在功能和性能上也或多或少存在一定缺陷, 且一般比较昂贵。

1.2全自动数据预处理方法

全自动的数据预处理方法主要是通过一定的算法来实现点云数据预处理, 包括点云数据滤波, 点云数据分类等。

数据滤波的目的是为了去除测量噪声。实际测量过程中存在各种因素的影响, 观测数据往往不是理想的结果。为了得到合理正确的目标物体形体信息, 需要对观测数据进行滤波, 剔除掉含有粗差的相关观测数据和无效形体数据, 从而得到目标物体形体信息的最佳估值。

由于激光扫描仪对空间信息采集的盲目性, 使得激光点云数据在三维空间的分布形态呈现随机离散性, 在这些离散点中, 有些位于真实地形表面, 有些位于人工建筑物 (房屋、塔、输电线等) 或自然植被 (树、灌木、草等) 上。如果直接利用这些点进行建模, 处理的难度非常大。因此, 要在激光点云数据中提取目标对象的三维信息进而构建其三维模型, 就需要对去噪滤波后的数据点进行分类, 将其划分成具有单一几何特征的拓扑结构区域。

1.3数据预处理结果

按照以上算法流程编写MATLAB程序, 实现地面点与非地面点的分离, 用本算法进行滤波时要注意滤波参数的设置, 通常要根据不同地表形态来选取适当的参数。应用本算法对铁路两旁的数据进行了滤波处理, 前后对比效果如图1、2所示, 从中可以看出该算法能很好的实现地面点与非地面点的分离, 但是该算法需要输入很多滤波参数, 如地形坡度, 窗口大小等, 这些直接影响着滤波的效果, 因此要实现很好的滤波需要根据实际地形情况反复试验几个滤波参数。

2模型重建

点云数据经过滤波分类处理之后, 就可以针对分出来的不同类别采用不同的建模方法了, 这里滤波分类主要分为地面点和非地面点, 所以, 模型重建也通过这两类来分析。

2.1地面点建模

与通常的栅格影像数据不同, 激光点云数据是离散分布的不规则点数据。因此, 要用模型的形式表示地形表面分布, 就需要进行网格化处理, 即将离散的点连续化。我们采用三角网的方式对数据进行组织, 地形表面由连接数据点的三角形构成, 通过进行插值实现对地形表面的逼近和近似, 这是对地形表面的一种精确表达。在本文的试验研究中, 采用Tin Model 5提供的构网模块实现了将分类后的离散的地面点构建为不规则三角网 (TIN) , 如图3所示。

2.2非地面点建模

非地面点比较复杂, 包括建筑物、植被、道路两旁设施等。随着Auto CAD、Maya、逆向工程等三维建模软件的出现, 可以通过人机交互的手段来辅助三维建模, 如图4所示为利用逆向工程软件Image Wave对城市道路两旁的建筑物点云数据进行建模效果图, 图5展示了利用软件对模型进行纹理映射与可视化。但这些方法费时费力, 而且对使用者的技巧要求很高, 对于结构复杂、不规则的场景建模更是无能为力。

显然纯粹地利用三维建模软件实现激光点云非地面点数据的模型重建, 并非一个好的办法, 研究怎样从这些离散的三维点云中快速准确地构建出真实的模型显得尤为重要, 逆向工程中用激光扫描某个特定物体获得的数据直接重构物体, 但此方法在车载激光扫描测量中不可行, 因为是它是自动目标采集, 扫描无特定目的, 不能控制扫描哪些物体。所以激光扫描的数据量非常大, 如果直接进行三维重构的话消耗太大, 必须先对距离图像进行处理, 提取出特征点、特征线和特征面再继续建模。由于到目前为止, 还没有距离图像分割和特征提取的成熟、可行方法, 使得当前的激光扫描系统都采用与CCD或类似图像采集设备集成, 其中距离图像以用于构建高精度的DEM为主, 图像分割和特征提取则采用CCD影像数据解决。这种联合作业方式使得系统运行成本高、控制比较复杂、数据存储量大、多源数据处理与融合复杂。目前对距离图像的数据处理方法集中在构建DSM/DEM上, 或者附加CCD影像进行融合, 对直接从距离图像中进行目标分类和特征提取的研究比较缺乏。鉴于此本文通过阅读文献, 针对车载激光点云数据总结了以下的建模方法和步骤。

(1) 对非地面点进一步分类。

通过车载扫描系统获得的点云数据中非地面点存在很多杂点, 受车体行驶周围影响很大, 如要对道路两旁建筑物建模, 则建筑物点云受路两旁的树木, 广告牌、线杆以及周围车辆等影响很大。这样直接用这些点云数据进行建筑物建模, 效果会很差, 所以有必要对非地面点进一步分类, 可分为建筑物, 线杆以及其它地物点 (如植被、路灯、公交站牌、广告牌等) 等。其中建筑物是非地面点中最重要的部分, 也是通常最关心的地物。

(2) 通过点云数据对建筑物进行特征提取。

利用前面提出的数据分类方法, 考虑建筑物自身的几何特征, 设计了一个简单的建筑物特征提取方法:首先, 从分类后的激光扫描数据中提取出建筑物数据;然后, 从建筑物数据中提取出每个格网单元中Z值最大和Z值最小的数据点, 这些点就是建筑物的特征点;后续处理中, 可以从这些特征点中探测线特征或者用线段拟合这些特征点得到建筑物的特征线, 也可以导入专业建模软件直接参与三维建模。

(3) 线杆提取。

线杆提取基于以下的假设: (1) 杆是独立的直线; (2) 杆近乎垂直; (3) 杆有最小高度; (4) 杆应在建筑物或墙面的前面。当然以上假设也限制了一些杆的提取, 比如杆正好在建筑物或墙面附近, 这样干扰点比较多, 本算法暂不考虑这些。设置一个距离门限值来识别独立的直线, 线的独立性通过计算线间的垂直中心距离来得到;设置一个倾斜角门限值来识别直线在倾斜角范围内是否垂直;有时, 杆的底部被植物或小的物体掩藏起来, 此时只能得到杆的上部。因此设置另一个门限值来检查杆的底部的位置;当杆目标很小时, 激光数据也可能不包含反射自杆的点, 这些小物体的获取依赖于车速。车速决定激光数据的沿轨迹分辨率, 当车速过快时极少杆被扫描到, 所以有些时候还要人工对比一下图像数据再做决定。

(4) 其他地物提取。

其他地物如树, 对其进行特征提取和重构由于树形状的极度不规则性, 数据处理非常复杂, 且在城市环境中知道树的具体形状特征意义也不大, 一般情况下只要知道树的位置和高度既可。

3结语

该文结合某三维建模案例, 探讨了基于激光点云数据的数据预处理方法和模型重建方法, 论文探讨了半自动数据预处理方法和全自动数据预处理方法, 给出了全自动数据预处理的算法流程, 在模型重建中, 论文探讨了地面点重建和非地面点重建。该方法能够很好的为快速三维建模进行服务, 尤其是比较关注街道两侧信息的三维获取, 这将大大减少人工三维数据获取及其建模的工作量, 将有很好的应用前景。

参考文献

[1]石波, 卢秀山, 王冬, 等.基于多传感器融合的车载三维测量系统时空配准[J].传感器与微系统, 2007, 26 (9) , 14-16.

[2]徐绍铨, 张华海, 杨志强, 等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社, 2003.

GIS三维建模在城市规划中的应用 第5篇

关键词:GIS;城市规划;三维建模

中图分类号:TU984.11文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.03.013

Application of 3-D Geographical Model in Urban Planning Base on GIS——A Case of Ruijin in Jiangxi Province

LIU Jing1,JIA Hong-tao2,CHANG Qing-rui1,LV Lei1

(1. College of Resources and Environment,Northwest Agriculture and Forestry University,Yangling,Shaanxi 712100, China;2. College of Grassland and Environmental Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052, China)

Abstract:The method of building 3-D modeling in urban planning was studied using GIS technique, a case study of Ruijin in Jiangxi Province. The structure and layout of this city were carried out planning rationally based on the three-dimensional model of the study area of the city. The results showed that 3-D modeling using GIS could provide the scientific gist for decision-making in urban planning.

Key words: GIS;urban planning;3-D modeling

随着计算机技术和信息技术的飞速发展,城市信息化的程度越来越高,信息技术正全方位地渗入城市规划领域中,而“数字地球”(Digital Earth)、“数字城市”(Digital City)概念的提出和相关技术的逐步完善,也使得城市规划设计的技术手段越来越丰富,运用“数字城市”相关技术来进行城市规划设计将是规划行业发展的必然趋势[1-4]。

3D-GIS的研究、建立与应用是目前GIS学科的热点之一,在自然资源管理、城市规划、作战模拟演练等应用领域显示出重要的价值和巨大的潜力[5-8]。三维数据模型和三维城市规划模型就是这样一个基于GIS和虚拟现实技术基础上的平台,利用在计算机中所建立的模型、场景和数据来实时地再现现实世界中的任何物体,在计算机的虚拟世界里就能直观地体会到现实世界中的各种感觉[9,10]。笔者对三维地形模型的建立予以阐述,使其成为数字城市建设系统中一个强大的工具平台和建设数字城市课题中一个有效的手段。

1研究区概况

1.1地区简介

瑞金市位于江西省南部、赣州地区东部、武夷山脉西麓,地处东经115°42″~116°22″,北纬25°30″~26°20″。是赣闽两省交汇处,瑞金市东、西、北三面环山,地势高峻,群山重叠,山势逐渐向中心和西南方向降低,以象湖镇为中心的10个盆地组成了一个窄长的绵江河畔山间盆地带。境内以低山为主,山地海拔一般在400~800 m之间。

境内按地形特征可分为侵蚀构造低山丘陵地形、河谷侵蚀堆积地形和侵蚀地貌类型。其中,以丘陵地形为主,面积1 967.85 km2,占该区总土地面积的80.35%。山地面积243.89 km2,占该区总土地面积的9.96%。岗地平原面积237.26 km2,占该区总土地面积的9.69%。岗地平原地区是瑞金村镇集中地区。

城区地处绵江河与古城河交汇处,属河谷侵蚀堆积地形,为三面环山(向东北方向敞开)的盆地。城区是瑞金境内10个盆地中最大的一个,绵江河呈“S”形由东北向西南方向通过,另有古城河、罗溪河、七堡河与其相通。地势东北高、西南低,高程在191.2~206.4 m之间。古城河南鹅岭脑一带为岗地,高程在206.4~215.2 m之间,与古城河以北一带相对高差15~18 m。南部山区丘陵地带高程337~442 m(新茶亭一带)。西部为丘陵山区,高程在400～473.3 m。东北部为丘陵地带,绵江河以北(洋溪村附近)高程在197.5~237.4 m之间。

1.2数据采集及前期处理

将收集到的相关资料,如城市规划设计图纸及相关文档、研究区域的地形图(如1∶10 000地形图)扫描成栅格图像,再用Photoshop软件消除噪音,然后应用Geoway空间数据加工处理软件进行图像配准,进行格网精校正,保证图像在校正过程中的精度,再进行数字化并建立拓扑关系,错误检查并进行修改,最后将其转为Shape格式,或者转换为E00格式文件保存,完成地形图的矢量化。对于规划效果的三维表示,同样先对规划图与地形图的矢量图层进行配准,然后对各个规划区块进行数字化,按照规划标准予以赋色。

2三维模型的建立及显示

2.1三维模型的建立

TIN模型把不规则分布的离散数据点,按优化组合成的三角形面来逼近地形表面。该模型是一种三维空间的分段线性模型,其数据格式在概念上类似二维数据结构中带拓扑结构的矢量数据结构[11]。TIN是根据不规则三角网的算法来实现的,在众多不规则三角网生成算法中,Delaunay三角网在国内外得到广泛应用,Delaunay三角网生成方法主要有逐步生成法、逐点插入法、分割归并法(分而治之法)等,其中,逐步生成法应用最为广泛。

逐步生成算法的基本思路是,先找出点中相距最短的两点连接成一条Delaunay边,然后按Delaunay三角网的判别法则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直至最终完成。算法的关键是如何搜寻“第三点”。

在本研究中,利用Arcview3.2,加载3D Analysis扩展模块,激活矢量化的等高线图层,利用convert to TIN功能,自动生成TIN(图1),根据所需突出表现的主题调整颜色级数和色阶,如要表现规划区块,则用绿色递减色阶即可。也可将3D模型TIN转成DEM文件。

2.2研究区三维显示

三維场景的属性主要包括三维场景的名称、创建者、创建日期、制图单位、二维投影、垂直缩放因子等。由于瑞金市高程地形差异小,表示不明显,所以,将垂直比例放大4倍,背景色修改为白色,太阳方位角主要是为了达到整套图的色调协调,调整至不同的角度、太阳高度角,见图2。

对于含有现状或者规划区块的三维效果图(图3,4),Base Heights赋值为主题的基本高程值,所有的区块都将建立在此给定的基准高程上。高程的偏移量设为0。并在延伸命令选择Adding to Base Height。最后调整方向角度输出三维地形图。

3基于三维模型的城市规划

三维城市规划还将在实时漫游的基础上实现对各种信息进行集成与分析的基本功能,具体来说具备以下几种主要功能:实现各种信息的二维查看、查询和测量等一系列功能;实现二维与三维的交互性查看、漫游。利用数据模型的一些特点进行相应的加工处理,要实现数据库与模型库的对应关系,同时要实现对各种信息的查询、调用、分析和处理,就必须利用GIS及相关工具建立一个高效率的数据库,并使之具备对信息进行搜集、分析、处理和更新的功能,将数据库中的信息与实时场景中的模型进行绑定,从而达到对各种信息的即查即用,实现丰富的查询和分析、决策功能。

本项目为瑞金市历史文化名城长期规划,旨在发展旅游,保护历史遗迹的前提下对城市的功能结构布局进行合理的规划。按照城市规划规范,三维规划图中黄色区域R1代表一类居住用地,淡黄色R2代表二类居住用地,红色区域分别为:C1行政管理用地;C2商业金融用地;C3文化娱乐用地;C4体育用地;C6教育科研用地。棕色M1代表一类工业用地,紫色W代表仓储用地,浅绿色G1代表公共用地,深绿色G2代表生产防护绿地,黑色线条代表铁路,红色线条代表高速公路。

通过三维地形的建立,能够很直观的表达城市规划理念,直观地观察不同功能区域的分布,为后期规划的完善提供了便利。另一方面,降低了经济代价,减少了实地勘探,却达到相同的效果。

4结 语

三维城市规划可以使城市规划中原有的一些可以意会而不可言传的东西,以一种直观的面貌展现出来,这无疑对于城市规划设计水平的提高、城市景观恢复和研究等,都有着非常重要的意义和应用价值。三维城市规划可以建立一个三维的、动态的、可视化的景观来形象、生动和真实地表现城市的自然和人文现象,进行三维空间分析,更好地帮助城市规划、建设和管理。GIS在城市规划中应用是一次大的革新和尝试,会大大提高城市规划的效率和统计分析功能,能够更直观、更准确的表达规划区域的状况和城市规划理念,为区域的发展提供更有力、高效的支持。

参考文献:

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关于数字城市的三维建模思路研究 第6篇

“数字城市”是城市信息化发展的方向, 是数字地球的一部分, 三维地理信息是“数字城市”的重要基础空间信息。三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息, 并可以以第一人称的身份进入城市, 感受到与实地观察相似的体验感。三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功, 可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合。如三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等, 这些三维系统将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新, 对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策, 具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

三维城市模型 (3DCityModel, 3ocM) 是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂, 但人们针对不同的应用目的, 构建了各种具有不同功能的3DCM, 具体分为以下几类。

1.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用D E M生成地形三维透视图, 遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观, 无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统 (如ArcView、MapGuide) 己经具有这种2.5维的地形显示功能。

1.2 基于2DIGS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法。

(1) 在二维GIS的基础上, 直接添加一些信息 (如房屋高度、墙面纹理等) , 使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差, 对城市景观信息的表达少, 另外没有考虑DEM。

(2) DEM和二维GIS结合的方式, 这种方式用DEM作为建筑物的承载体, 表达地表的起伏, 然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象, 比上一种方式更具真实感。

(3) 部分2DGIS系统 (Arc/Info) 发展了构建3DCM的功能模块, 具有初步的量测功能, 但缺乏对建筑物纹理的提取与处理, 景观表达的真实感程度不够。

1.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异, 纯三维构建3DCM方式分以下不同方法。

(1) 利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建, 这种方法每次采集数据范围受通视条件所限, 在建筑群密集地区难以应用;

(2) 利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建, 该方法采集数据快, 但获取的DEM精度不高;

(3) 利用航空立体像对的方法, 利用目标提取技术, 实现航空影像房屋三维数据的半自动量测, 进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上, 实现建筑物可见表面纹理恢复, 重建城市三维景观。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取, 实质是采集空间定位数据。三维模型的建立与编辑, 三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体, 也是数字城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识, 增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用, 用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能, 尤其是与虚拟现实技术的结合, 使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作 (如图1) 。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源, 这些数据源包括: (1) 矢量地形图数据, 用于确定建筑单体模型的实际基地位置与形状, 采用的基本比例尺为1∶500。 (2) 数字正射影像图 (DOM) 数据, 将数据映射到DEM上来表现实际地面建筑分布的基本情况。 (3) 建筑物的电子相片, 通过实地拍摄拟建模对象获得, 用于辅助模型造型制作时进行参考, 编辑处理后也可作为模型的外部纹理贴图。 (4) 属性数据及多媒体数据, 对建筑单体模型的补充说明。 (5) 建筑物的文档资料及施工平面图。 (6) 摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据, 而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。 (7) 遥感数据。高分辨率遥感影像可以为城市3D城市模型的建立提供详细、丰富的几何和语义信息数据, 是生成正射影像数据和DTM的重要数据源。 (8) 混合测量系统。混合测量系统中一个典型就是CCD相机和全站仪组合系统。此系统可用于建筑物立面的扫描及建筑场地的地形表示。此系统适合于建筑物外部和内部数据的几何和纹理数据的获取, 解决了3D城市模型中内部数据获取困难的问题。

就当前的应用需求来说, 场景三维建模需要的数据主要有:二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1) 使用CAD软件建模。

AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能, 它的优点在于能够精细、精确, 有精确尺寸的将三围维图形建模, 但是它的渲染处理及动画制作方面功能较弱, 不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作, 不支持与地形的叠加, 不支持属性定义, 主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。

(2) 常用动画软件建模。

如3D MAX等, 建筑精细模型, 利用丰富的建模工具达到模型逼真效果。但是数据结构复杂, 数据量大, 不支持与地形叠加, 且不能交互编辑查询, 仅限于动画浏览。

(3) 专业软件建模。

如MutiGen Creator软件功能强大, 支持大面积地形建模、建筑物建模。其模型数据具有结构简洁的有点, 并在运行过程中可以进行交互操作, 实时计算动画场景, 开发后可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细, 数据交互编辑、查询能力较弱。

(4) OpenGL开发。

使用OpenGL+VC模式, 通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前, 在实际应用技术中, 较为普遍和实际的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台, 使用asp.net技术, 开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统, 从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能, 为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“SuperMap”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模, 以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件SuperMap Service GIS作为开发平台开发演示系统。如图2所示, “SuperMap”构建三维数字城市的方案如下。

(1) 采用正射航空或卫星影像和地表高程数据并利用1∶500地形图在3d MAX中建立数据集。

(2) 将数据集文件加载到3d MAX中, 并用编辑工具利用数据集中各项数据建立三维建筑物模型及利用本地数据库中及网络中加载各类2D信息 (如花草, 树木, 人物等) ;

(3) 保存工程文件或者打包输出 (KML格式) , 使它能够被分配到CD/DVD ROM或发布到网页上。KML中包含工程中用到的所有的资源, 因此它相对于源文件是独立的 (如图2) 。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨, 总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布, 结果表明在数字城市建设中, 主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节, 即能较好完成数字城市工作, 使其满足实际应用。

摘要：随着科技的不断发展, 城市的信息化成为了必然的趋势, 数字城市的不断完善已经成为城市壮大的新的契机, 成为城市信息化建设的目标。数字三维城市已成为城市规划和管理中重要的手段。本文以三维数字城市为研究对象。探讨了数字城市中三维建模的主要内容和相关建模方式, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模, 结果表明该思路能满足实际应用。全文是工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：数字城市,三维建模

参考文献

[1]朱庆, 林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

城市建模 第7篇

数字城市是真实城市的再现或反映, 城市三维模型是十分复杂多样的, 包括数字地形模型 (地表) 、建筑物、交通设施、水系、植物等。目前, 国内外研究城市三维模型建模的论著十分丰富, 针对不同的数据源和不同类型的模型, 采用的建模方法也各不相同。数字城市建模存在的突出问题是:手动建模成本高、效率低, 自动建模精度较低, 并且一般都缺少语义表达。本文采用City GML作为数据表达工具, 综合使用手动建模和自动建模技术, 采用逐步求精的方法建立数字城市LOD模型, 并且在建模过程中一方面考虑空间关系的约束, 另一方面充分考虑语义信息。并将其结合到3DUGIS中用于数字城市建设。

1 相关工作

1.1 数据获取和分析

“从本质而言, 城市建模应该分为几何建模 (geometrica modeling) 与纹理建模 (texture mapping) 两部分”, 所以建模时也分别需要这两方面的数据。数据源的获取是三维建模的前提, 数据源的质量关系到建模的精度。

数字摄影测量工作站采集的城市三维编码数据是比较理想的三维城市建模数据源, 但它的获取成本比较大。而二维GIS数据则是一种廉价而精确的数据源, 非常适合于进行自动建模。二维GIS数据本身是地表二维数据, 可用于指定建筑物、道路、水系等的精确位置和基本外形。但进行三维建模, 还需要更详细的几何信息和纹理信息, 这些数据可以设置到GIS属性结构里。GIS数据一般带有自定义属性结构的功能, 可以根据建模需要设定这些信息。

1.2 City ML数据表达

通常使用通用的三维建模工具创建的模型可以导出为标准的3D场景格式, 常用格式有:DXF、X3D、VRML等, 但场景描述语言和场景图系统虽然提供了功能强大的图形建模功能, 却未能为处理3D地理数据提供有效的解决手段, 导致我们一般很难表达、保存和利用模型的语义信息。City GML的出现正好弥补了这个空白。

City GML由SIG3D小组创建于2002年, 它是一种用来表现城市三维对象的通用信息模型。City GML实现了基于XML格式的用于存储及交换虚拟3D城市模型的开放数据模型, 它是在Geography Markup Language 3 (GML3) 的基础上实现。City GML定义了基本实体、属性及其之间的关系, 它是一个能够在不同应用之间共享的通用模型。它定义了城市中的大部分地理对象的分类及其之间的关系, 而且充分地考虑了区域模型的几何、拓扑、语义、外观属性等。

1.3 三维空间分析

空间分析是用于分析地理事件的一系列技术, 分析结果依赖于事件的空间分布。空间分析是GIS区别于CAD与科学计算可视化的特有功能。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据, 这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态, 专业属性则是实体某一方面的性质。

三维空间分析, 也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析, 连同空间对象进行三维表达与管理。3DUGIS可以为用户提供的空间分析包括两大类:空间测算和空间分析。用户可以使用鼠标点取直接在场景中进行距离、面积、体积、平均高度、平均坡度、平均坡向等测算功能, 也可进行通视分析、地形分析、水淹分析等分析功能。

2 数字城市三维建模

一般来说, 对于大规模的城市景观模拟系统应用为了提高系统的渲染效率都会采用诸如:多分辨率层次细节模型技术 (L OD) 、可见性预计算技术、实例化技术、视点替换等技术。其中多分辨率层次细节模型技术 (LOD) 是提高系统运行效率的一个有效手段, 它为一个实体建立多个不同层次细节的模型, 在系统运行时根据不同的距离选择不同层次细节的模型。City GML不但支持几何的模型的LOD, 还支持与几何模型相关的语义LOD。也就是说, 随着几何模型层次细节的改变, 我们得到将是不同详细程度的语义信息。City GML的所有模型都可以有5个层次细节。其中LOD0地域模型, 实质上是一个2.5D的数字地图。LOD1到LOD4是建筑物模型的4个层次细节, 分别是楼块模型、结构模型、细节模型和室内模型。建模时楼块模型自动建模, 然后在楼块模型的基础上采用手动和半自动结合的方法进行逐步求精。

2.1 地域模型

一般来说, 建立其它模型之前首先要创建地域模型, 其它的模型叠加在地域模型上。地域模型是最低LOD等级的模型, 它实际上是一个2.5D的数字地形图, 可以采用正射影像 (DOM) +数字高程模型 (DEM) 、TM图像+DEM或航空影像+DEM等方法来构建。在建立地域模型时, 把地形的高程当作一个特别的空间变量来处理, 将它作为一个位置的属性, 这种方法所表示的内容多于2D但又少于完全的3D表示的内容, 被称作2.5D。根据要求和原始资料的不同, 进行城市建模的方案也不相同。如果对地表的纹理精度要求不高, 可以采用TM图像+DEM构成;反之, 应采用航空影像+DEM构成。

2.2 楼块模型

楼块模型只是描述建筑物粗略外部形状的简单模型, 没有纹理, 比较适合自动建模。几何建模时, 只需要建筑物的底面几何信息以及高度信息。首先, 根据底面的几何信息, 进行三角剖分, 按建筑物高度进行平移到楼顶位置, 然后建立建筑物的侧面几何体。给出了多边形三角剖分的算法。采用递归算法的思想, 首先从原始多边形中找出一个可剖分顶点进行分割, 在剖分出一个三角形同时产生一个新多边形, 然后判断新生成的多边形的凸凹性。若为凸多边形, 则顺序连接多边形各点生成三角形网, 算法结束;否则对新生成的凹多边形进行递归操作直到原始的多边形划分成一系列三角形和一个凸多边形。侧面几何体可以根据底面和顶面几何点建立。

建立LOD1楼块模型的另外一个关键任务是添加相关的拓扑和语义信息。如果使用二维GIS数据作为建模的原始数据, 模型是在几何元素基础上添加属性编码和属性表构成的, 在获取图形对象的同时也能获取其空间坐标、拓扑关系及其相关属性信息, 并且能够获取地理空间不同位置对象之间的空间拓扑关系。所以建模时, 可以按照分层原理, 分别取出不同的集合进行分别建模后, 再变换到统一的地理空间坐标系中。

为了方便模型的进一步求精, 在进行建筑物分层的时候可以根据屋顶类型进行分类。将建筑物分为:平顶和只含一个面的斜面顶建筑物、单屋脊建筑物、双屋脊建筑物、弧顶建筑物以及两类复杂建筑物。建模过程中可以将建筑物的类型作为模型的一个属性记录下来。

2.3 模型求精

模型求精是指在粗模型的基础上添加更多的几何、纹理以及语义信息。在LOD1向LOD2的求精过程关键是要添加楼顶和纹理信息。如果建筑物的楼顶是简单类型如:平顶、单屋脊、双屋脊等, 建模时可以根据楼顶类型直接建模;如果建筑物的楼顶是复杂类型, 可采用专门的工具 (比如:Land Xplorer系统) 手动添加。这个过程可以实现半自动化, 在模型求精之前, 应准备好所需的信息, 由于屋顶信息在LOD1建模时已经包含在了属性信息里, 所以还需要的数据是楼层和单元信息以及纹理信息。

从LOD2向LOD3的求精过程关键是添加楼层和单元信息。将楼块模型分割成多个楼层和单元, 如果有必要可以对每个单元或楼层添加语义信息, 以供查询和分析。同时需要对纹理信息求精。从LOD2向LOD3求精的过程类似, 但添加了更多几何和纹理细节。从LOD3向LOD4求精过程基本上无法自动进行, 要依靠外部编辑。

2.4 其它模型

除了建筑物之外还有许多其它的模型需要处理。比如:道路、树木、水体、地下管线等。同高程的水域平面三维模型:对诸如河流、水库等面状水系要素, 一般来讲, 其特点为:有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化, 其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现, 保证其法向量向上。对于道路、绿化带、路灯、道路两旁的树木等, 可以根据道路中心线, 首先根据算法建立道路模型, 然后根据绿化带的区域信息自动创建绿化带, 路灯和树木可以采用公告板技术, 根据其地理位置, 置放公告板。对于烟雾、喷泉等可以采用粒子系统进行模拟。一般来说, 对于数量巨大的规则模型, 都应该设计相应的算法进行自动建模, 对于不规则的模型, 可以使用三维建模软件手动建模。

3 应用案例

上海世博园区数字三维系统是一个典型的3DUGIS应用, 系统具备快速建模、模型编辑、模型导入、三维空间分析等功能。

3.1 快速建模和属性查询

如图1所示系统能够自动建模的包括:数字地形、建筑物、道路、道路台阶、树木、地表修饰物、标注、喷泉等。并且能够在系统三维视图中使用鼠标直接选择实体进行属性查询。

3.2 SQL查询

系统支持标准的SQL查询语言, 在输入了Select有关的内容和条件后, 系统转化为标准的关系数据库SQL查询语句, 由数据库系统管理系统执行, 查询得到满足条件的空间对象, 并在三维视图里进行标记。除了支持标准的SQL查询语言之外, 系统还支持一些扩展的SQL查询语言。

4 结束语

将CityGML和3DUGIS结合起来用于数字城市的建设是一个新的尝试, 一方面能够利用GIS强大的空间分析、数据管理和数据挖掘功能, 另一方面能够充分发挥CityGML强大的几何、语义表达能力以及灵活的扩展能力。本文给出的模型逐步求精的思路和方法, 具有很强的实践性和理论性。

参考文献

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[4]赖玲莉, 许妙忠, 李明.基于摄影测量的高精度三维城市建筑物建模技术[J].测培信息与工程, 2007 (5) .

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[8]Thomas H.Kolbe.Representing and Exchanging3D City Models with CityGML[M].3D Geo-Information Sciences

城市建模 第8篇

关键词：数字城市,三维建模

随着科技的不断发展,城市的信息化成为了必然的趋势,数字城市的不断完善已经成为城市壮大的新的契机,成为城市信息化建设的目标。数字三维城市已成为城市规划和管理中重要的手段。三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息,成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位,快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立,可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合,分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能,将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新,对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策,具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

国际上城市信息化建设与发展走过的道路,大体上经历了四个建设阶段:网络基础设施的建设,政府和企业内部信息系统建设,政府企业上下游相互之间借助互联网实现互联互通,数字城市综合集成与建设形成数字城市。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区,已经完成第一到第三阶段的基础任务,目前主要任务是不断提高各阶段成果的作用和水平并进行数字城市的综合集成[1]。

由于我国数字城市建设起步较晚,目前处在四个阶段同步并举的时期,通讯基础设施的进展速度比较快,政府和企业内部信息系统建设的进展比较慢,数字城市的综合集成还处在低级阶段。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取,实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑,三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体,也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识,增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用,用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能,尤其是与虚拟现实技术的结合,使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源,这些数据源包括:(1)规划建筑物的设计图纸及文档资料。(2)城市数字地图(地形图、地籍图等)和2DGIS数据库。(3)摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据,而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1)使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能,是当今二维图形绘制软件的主流工具,这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱,不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确,有精确尺寸定义,但数据结构复杂、数据量大,不支持与地形的叠加,不支持属性定义,主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。(2)常用动画软件建模。如3D MAX等,模型表达精细,建模工具丰富,但是数据结构复杂,数据量大,不支持与地形叠加,且不能交互编辑查询,仅限于动画浏览。(3)专业软件建模。如MutiGen Creator软件功能强大,支持大面积地形建模,支持建筑物建模。模型数据结构简洁,可以在运行过程中进行交互操作,实时计算动画场景,通过开发,可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细,数据交互编辑、查询能力较弱。(4)OpenGL开发。使用OpenGL+VC模式,通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前,在实际应用技术中,较为普遍和实际的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台,使用asp.net技术,开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统,从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能,为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“三维地理信息系统”中的三维建模为例。采用3Dmax软件实施建筑物三维建模,以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件TerraExplorer Pro作为开发平台开发演示系统。

“三维地理信息系统”构建三维数字城市的方案如下。

(1)采用正射航空或卫星影像和地表高程数据,在TerraBuilder中生成地表数据集。(2)将地表数据集文件加载到TerraExplorer桌面应用程序,并用编辑工具从本地数据库或网络上的扩展GIS数据库中添加2D信息(花草、树木、人物等)和三维建筑物模型(3Dmax建立的三维建筑物)信息。(3)保存工程文件或者打包输出,使它能够被分配到CD/DVD ROM或发布到网页上。Basic kit包含工程中用到的所有的资源,因此它相对于源文件是独立的。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨,总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法,并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布,结果表明在数字城市建设中,主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节,即能较好完成数字城市工作,使其满足实际应用。

参考文献

[1]朱庆,林珲.数码城市地理信息系统虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

城市道路交通可视化建模及仿真研究 第9篇

交通路网作为交通仿真系统的输入条件之一,必须进行详细地表述。而且在交通仿真结果评价和比较的过程中,用户经常需要对路网参数进行适当调整,如车道数、车道宽度、车道使用性质、车道限速等。如果每次都手工操作对路网模型进行修改、创建,不仅麻烦,而且难以保证模型精度。在此,作者提出利用OpenFlight API对路网模型进行自动化创建方法。用户无需去绘制道路和线型,只要在设计好的对话窗体上按需配置路网模型参数即可。路网自动化建模程序会调用OpenFlight API,即可实现路网模型的自动创建功能。

1 OpenFlight简介

OpenFlight 是一种用于存储空间数据和图像信息的空间数据格式,它全面支持场景建模过程的层次细节 (LOD) 、自由度 (DOF) 、纹理映射、材质等基本概念,已成为事实上的虚拟现实及仿真界的工业标准。VR 领域著名的工具软件MultiGen Creator 、VEGA 等都遵循 OpenFlight 场景描述数据库规范[1]。

Openflight API是一个包含头文件和链接库的C语言库,它提供了访问Openflight数据库方法。通过API可以进行Openflight模型的转换、实时的模拟仿真、自动建模。整个API由4个模块构成:Read,Write,Extensions,Tools[1]。

2 模型的创建思路

根据城市交通路网中各模型对象的特点,为提高模型创建的效率性和逼真度,模型的创建可分为以下2部分。

2.1 基本模型的创建

在基于三维视景的城市交通仿真系统中,路网模型中的有些对象在整个仿真过程中是不需要更改的,比如道路旁边的栅栏、树木、交通灯等等,最多也就是在数量上有变化。对这类对象,可利用三维建模工具MultiGen Creator建立对应的对象模型存放于模型库中,以方便实际使用时调用。例如道路旁的树木,可由OpenFlight API通过外部引用程序调用一个已经创建好的树木模型,然后根据此路段的长度,对树木模型在相关点的坐标间进行阵列复制即可。

2.2 道路模型的创建

在交通仿真系统中,因为要对不同方案进行测试和对比,就会涉及到对车道数、道路宽度、等等进行修改。如果修改次数频繁,手工对模型进行修改、创建肯定是不可取的。因此,对道路的模型,可以采用调用OpenFlight API进行自动化创建的方法。由用户输入模型参数(主要包括各十字路口中心点的坐标、每条路段的车道数、每条车道的转向等等关键信息),然后由VC++调用这

些参数进行计算,确定各路段的长度、各关键点的坐标、等等一些数据,最后由OpenFlight API调用这些数据进行模型的创建以及纹理映射。

3 关键技术实现

3.1路网模型中各节点的创建和层级关系的建立

OpenFlight按照各个空间对象的位置和相关性,以树状结构将其在逻辑上组织起来。如,顶点可构成面或多边形(polygon),几个相关的面组成对象(object),几个对象又可以构成组(group)。这样的层次结构,便于用户对模型的创建和调用。

调用OpenFlight API对路网模型的创建时,首先创建的是数据库头节点db,然后在头节点下创建若干组节点Group(每个组节点均代表不同的类型,如所有的树放一组,红绿灯放一组),再在每个组节点下创建若干体节点,将创建每一个体的面节点放在其下。

在逻辑上组织整个树状结构主要用到mgAttach, mgAppend等函数。

...

grec2=mgNewRec(fltGroup); //创建一组节点

mgAttach(grec1,grec2); //将创建的组节点g2放在g1之下

...

3.2 点和面的创建

点、面和线是OpenFlight模型最基本的单位,任何模型的创建都涉及到它们的建立。

AddVertex (mgrec *db, mgrec *prec, double x, double y, double z)

{

... //创建空间一点的三维坐标,将其放于节点prec之下。

}

MakePoly (mgrec *db,double ax,double ay,double bx,double by, double offsetx, double offsety, double offsetz)

{

... //在路面模型创建时,定义左下和右上空间2点的x,y坐标,并根据偏移量确定其位置,由两点坐标创建一个平行于坐标栅格的面。

}

3.3 纹理

道路模型创建时,为提高其逼真度,必须加入纹理,首先将外部纹理导入,确定每个纹理的编号,然后根据需要,将纹理映射到模型表面。

1) 纹理的导入。OpenFlight API 提供了很多纹理的加载函数(mgReadTexture mgReadTextureAndAlpha mgInsertTexture ...)

short index[n]; //纹理面板中纹理编号数组

index[0] = mgInsertTexture (db, (char*)(LPCTSTR)(texpath+"###.rgb")); //从指定路径中导入纹理,供模型使用

2) 纹理映射。

OpenFlight模型的纹理映射包括3点映射,4点映射,面映射,径向映射,环境映射[3]。本文只涉及到面映射:

mgSetAttList(prec,fltPolyTexture,0,MG_NULL); //设定多边形的纹理属性

3.4 外部引用

在三维建模的过程中,经常会对现有的模型进行引用和操作。在OpenFlight中有2种引用方式,一种是内部引用,是指引用本文件中的一个节点;另一种是外部引用,是指引用另一个OpenFlight文件作为一个节点。当遇到外部引用节点时,应该根据文件名打开所引用的文件,继而读取该文件中的数据。

路网模型中的一些单元如道路旁边的栅栏、树木、交通灯等等,都是先由三维建模软件MultiGen Creator将单个模型建好,然后由OpenFight API调用到整个路网模型中[4]。

xRef =mgNewRec (fltXref); //创建一个外部引用节点

mgAttach(grec3,xRef); //将外部引用节点放在g3之下

mgSetAttList (xRef, fltXrefFilename,r*)(LPCTSTR)(texpath+"**.flt"),MG_NULL); //设定外部引用节点所引用的文件为**.flt

3.5基于MFC的OpenFlight API应用程序的主框架

#include <openflightapi/mgapiall.h> //OpenFlight API的头文件

...

void RoadCreate ()

{

mgrec* db; //定义数据库头节点

... //定义数据库其他节点

int argc;

argc=1;

mgInit (&argc,0); //程序初始化

mgSetNewOverwriteFlag (MG_TRUE); /*创建一个新的数据库,存在则覆盖*/

if (!(db = mgNewDb("

.flt"))) {

char msgbuf [1024];

mgGetLastError (msgbuf, 1024);

printf ("%s", msgbuf);

exit (EXIT_FAILURE);

}

... //实现整个路网模型的创建功能

mgWriteDb (db); //写入数据库

mgCloseDb (db); //关闭数据库

mgExit (); //程序退出

}

4 仿真实例

按照本文描述的调用OpenFlight API进行辅助建模的方法,以单路口为例进行测试。模型创建的具体框架如图2所示。

首先在MFC中创建路网参数设定界面(如图3所示),由用户设定相应交通十字路口参数:十字路口中心点的坐标、每条路段的车道数、每条车道的转向等关键信息。

然后在后台由OpenFlight Api调用这些数据,进行计算,确定每条路段的长度,每条路段左下点和右上点的坐标,等关键数据。

再由OpenFlight API调用这些数据,按照3.2所述的点和面创建的方法将路面模型创建好,并贴纹理,然后调用由MultiGen Creator创建好的外部引用模型,如道路旁边的树木,车道旁的红绿灯等,将它们放在相应的坐标上,来完成整个单路口模型的创建。

5 结 语

本文对OpenFlight格式以及OpenFlight API进行介绍,论述了城市交通仿真系统中调用OpenFlight API进行辅助建模的方法。利用MFC的友好交互性,由用户在界面上输入模型参数,进而由OpenFlight API调用这些参数进行交通路网模型的创建。该项技术已经应用到开发的视景仿真系统中,并取得了较好的效果。

摘要：交通仿真是对交通事件和交通管理策略进行分析和评估的有效手段之一。为保证仿真结果的准确性,必须对路网特征进行细致的描述。对于城市路网,其拓扑关系复杂,路口渠化设计多样。如果在仿真中引入调用OpenFlight API进行辅助建模技术,用户就能快速对路网进行创建和修改。文中介绍了OpenFlight格式以及OpenFlight API,并对基于三维视景仿真的城市交通仿真系统调用OpenFlight API进行辅助建模的关键技术进行了探讨。进行实例研究,取得了较好的效果。

关键词：OpenFlight,交通仿真,可视化建模

参考文献

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城市建模 第10篇

关键词：倾斜摄影,城市,三维建模

0 引言

近年来, 国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来, 发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术, 简称倾斜摄影技术。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器, 同时从多个角度采集地面影像, 从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性, 能够更加真实地反映地物的实际情况, 弥补了正射影像的不足, 通过整合POS、DSM及矢量等数据, 进行基于影像的各种三维测量。基于人眼视觉适合于观察倾斜透视像片的特点, 倾斜影像测量技术更适合于网络环境应用。针对倾斜摄影数据的特点, 人们进行了多方面的研究探讨。该技术可广泛应用于测绘、国土安全、城市管理等领域。

1 倾斜摄影测量技术

基于多角度观测的倾斜摄影测量技术 (Obliqu Photography Technique) 是新一代的摄影测量技术。它主要包括倾斜摄影数据获取技术和数据处理技术。倾斜摄影测量技术的数据获取部分一般由四个个倾斜摄影相机和一个垂直摄影相机构成, 与GPS接收机、高精度IMU进行高度集成。摄影相机用来提供影像信息, 而GPS、IMU则分别提供位置和状态信息。在后续的数据处理过程中, 一般通过在系统中集成定位、定姿设备或进行空中三角测量处理为拍摄的每张影像提供位置姿态信息。倾斜摄影测量技术使得“非现场”测量和分析可以在倾斜航片上进行, 这—突破取决于它通过摄影测量方式获得的垂直正射像片和倾斜正射像片被整合到一个“场景文件”中, 而“场景文件”则能够提供对任一构筑物及特征物的多视向、多维度的观察, 将地物的观测引入符合人眼视觉的真实直观世界。

2 倾斜摄影测量技术在国内外的发展现状

国外对倾斜摄影测量技术的研究起始于上世纪90年代, 目前该技术的应用已经逐渐推广, 并在北美、欧洲得到广泛的应用。世界上最早研究倾斜摄影技术的公司是美国的PICTOMETRY公司。目前PICTOMETRY公司的倾斜摄影系统对人们使用地理空间信息的方式产生了很大的影响。美国微软公司开发的Bing Maps的使用也引发了Google Earth的高度关注。2005年, 欧洲的Blom集团与PICTOMETRY公司签署了协议, 以利用其倾斜摄影测量技术对覆盖西欧人口超过5万的所有城镇、大约1000个城市, 十万余平方公里的地域提供图像分辨率为10cm-12cm、位置精度约0.5m的数据服务。

国内测绘行业于2010年首次引进倾斜摄影技术。国内方面, 刘先林院士研制的SWDC-5倾斜摄影系统在河南省平顶山市新城区成功完成了试验, 该系统通过同一飞行平台用5个视角对地面进行拍摄, 通过集成POS系统获取影像的位置、姿态信息。位于武大科技园空间信息产业基地的华正空间 (武汉) 软件技术有限公司在机载多镜头倾斜摄影测量系统的基础上自主研发了地理空间信息和应用平台系统“3DReal World”, 该系统软件是具有世界领先水平的基于航空倾斜影像的地理空间信息和应用平台系统。北京天下图公司则作为全国首次引进斜摄影技术的航摄单位, 将美国PICTOMETRY公司的机载倾斜摄影设备及相关解决方案引入中国, 结合北京天下图在国内航摄领域的技术优势和市场资源, 形成了自有的倾斜摄影影像获取及应用技术。

3 基于倾斜摄影成果的三维测量技术

使用常规基于垂直摄影像片的摄影测量技术进行三维建模, 只能够处理屋顶等平面上和部分立面纹理, 而大部分的立面纹理需要费时费力的地面摄影来提供。由于倾斜摄影测量能够直接观测到地面建筑物的立面并能够在影像上直接测量物体的高度、长度, 或参考激光雷达获取的DSM建立建筑物的几何模型。建筑物几何模型的纹理由倾斜摄影像片提供, 甚至可以通过倾斜航空像片技术与三维块状模型技术组合得到具有真实图像纹理细节的三维建筑物模型。

倾斜摄影测量系统进行三维建模的主要过程是, 基于多角度倾斜相机摄影数据获取系统飞行拍摄的影像、拍摄时同步记录的POS数据、该区域DSM数据、DLG数据等资料, 进行必要的加工处理, 建立基于机载多角度倾斜摄影影像的三维测量系统。其主要过程如图1所示。

4 利用倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法

在三维建模过程中, 我们一般将简单建筑物视为一个多面体, 将复杂的建筑物视为多个多面体的组合。城市中的建筑物随着近年来建筑科学的发展, 外形越来越复杂, 要建立建筑物三维模型, 多个多边形模块组成的建筑物模型是我们城市三维建模遇见的基本问题。而另一方面, 三维建模还需要根据建筑物的几何信息和建筑物表面的真实纹理进行贴图。

目前建筑物的三维建模方法主要有模拟建模、半模拟建模和测量建模, 前面两种方法的思路为:通过地物的平面轮廓模型与地物的高程模型结合, 方法简单, 但是与实际模型比较差距较大。城市三维建模的方法主要是测量建模, 可通过航空摄影测量的方案实现, 主要方法包括基于航空影像的交互式获取和基于航空影像及地面摄影对建筑物特征线特点进行自动提取这两种方法。前者能够真实地获取建筑物信息, 但是整个过程中需人工干预, 数据处理缓慢, 后者则可以满足大批量数据处理, 但是需要整合的信息量大, 目前应用较为困难。综上所述, 目前较为合适的方法为:从测区DLG数据中提取建筑平面边界数据。以倾斜摄影测量的立体像对为基础, 将平面边界数据与摄影测量预处理的产品 (DSM、DEM) 进行配准、套合, 继而进行建筑物几何模型的建立。具体的建模思路如下:

由机载倾斜摄影系统实施航空倾斜摄影, 对航摄后获取的原始影像及POS数据进行处理, 包括亮度、饱和度等视觉方面的统一;垂直和倾斜影像的筛选甄别;根据已有检校数据对POS系统进行改正, 确实精确的方位元素。然后根据以上成果, 利用垂直影像、倾斜影像数据和空三测量加密成果, 进行影像密集匹配, 生产出基于真实影像超高密度点云的DSM数据, 初步制作全要素的三维数字城市模型场景, 最后利用模型编辑软件进行后处理, 生产出全要素的三维数字城市模型及场景。

5 结论

通过以上内容的论述和分析, 可以看出, 运用倾斜摄影测量技术实施的三维数字城市建模方法与原有三维建模方法有很大区别, 初步实现了批量化数据处理, 对于不规则的地物 (例如路灯杆、旗杆等建筑附属物) 也能进行区分 (但是由于匹配截面小, 暂未能实现批量处理) 、进行剔除, 故该方案相对原有方法有着较大的优势。

当然倾斜摄影技术也会有一定的不足, 如在建筑物底部造成模型扭曲、变形;个别地方提取纹理困难, 进而产生空洞 (后期模型修补时可以完善) , 总之, 该技术无论是对于数据采集数据的后处理有较大的进步, 但是该技术存在的不足还需在今后的三维城市建模中不断改进和完善。

参考文献

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