數(shù)字城市建設(shè)中三維模型的構(gòu)建方法研究

王春波

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧沈陽(yáng) 110122）

數(shù)字城市建設(shè)中三維模型的構(gòu)建方法研究

王春波

（遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧沈陽(yáng) 110122）

數(shù)字城市建設(shè)的主要瓶頸是如何快速有效地獲取三維數(shù)字城市模型數(shù)據(jù)，并且提高其自動(dòng)化水平?；诖?，綜合目前三維數(shù)據(jù)獲取的現(xiàn)有方法，并根據(jù)數(shù)字城市三維建模的要求，以3Ds Max等軟件為平臺(tái)進(jìn)行建筑物三維模型的構(gòu)建，探索出一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)快捷的技術(shù)方案。

數(shù)字城市；數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量；三維建模

數(shù)字城市是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)等基礎(chǔ)技術(shù)，運(yùn)用3S技術(shù)，即RS（遙感）、GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）等技術(shù)，對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空、多種類和多維描述，使之最大限度地為人類生存、生產(chǎn)、生活及社會(huì)發(fā)展提供服務(wù)。隨著地理空間信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不斷進(jìn)步，數(shù)字城市建設(shè)已經(jīng)從二維向三維發(fā)展，且數(shù)字城市可視化模型的構(gòu)建是數(shù)字城市建設(shè)的重要工作。數(shù)字城市建設(shè)的主要瓶頸就是如何快速有效地獲取三維數(shù)字城市模型數(shù)據(jù)，并且提高其自動(dòng)化水平。本文綜合目前三維數(shù)據(jù)獲取的現(xiàn)有方法，并根據(jù)數(shù)字城市三維建模的要求，以3DsMax等軟件為平臺(tái)進(jìn)行建筑物三維模型的構(gòu)建，探索出一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)快捷的技術(shù)方案［1］。

1 三維城市建模數(shù)據(jù)獲取方法

針對(duì)三維城市建模來說，首先要解決的問題是數(shù)據(jù)獲取問題。不同類型的數(shù)據(jù)有其各自的特征，故其在三維城市建模中的作用也不相同。數(shù)字城市建設(shè)中三維模型的數(shù)據(jù)源主要包括遠(yuǎn)距離獲取的數(shù)據(jù)、近距離獲取的數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)3種。其中，遠(yuǎn)距離獲取的數(shù)據(jù)主要包括空載激光掃描、衛(wèi)星影像和航片；近距離獲取的數(shù)據(jù)主要包括近距離激光掃描、近景攝影測(cè)量等。目前，用于三維城市建模最主要、最可靠技術(shù)手段是“數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量”與“激光雷達(dá)”。

2 城市三維模型構(gòu)建的方法

2.1 基于二維GIS的建模方法

二維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為三維城市的建設(shè)提供了豐富數(shù)據(jù)源。基于二維GIS建立城市三維模型的主要方式是：采用二維GIS和DEM相結(jié)合方式，用DEM對(duì)地形表面的地表起伏狀態(tài)進(jìn)行描述和表達(dá)，然后系統(tǒng)再根據(jù)建筑物的相對(duì)高度數(shù)據(jù)建立真實(shí)地理分布的三維城市景觀。從二維GIS數(shù)據(jù)到數(shù)字城市中的三維模型，除了真實(shí)的表面紋理數(shù)據(jù)需人工交互完成外，根據(jù)地物的二維底面的邊界數(shù)據(jù)即可自動(dòng)生成建筑物盒裝的三維模型。

2.2 基于激光掃描的建模方法

三維激光掃描技術(shù)是目前迅猛發(fā)展的測(cè)繪新技術(shù)之一，其采集數(shù)據(jù)速度快且精度高。近年來，隨著三維激光

掃描技術(shù)日益成熟和儀器成本的不斷下降，運(yùn)用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，已成為三維景觀重建中的重要手段之一。基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)主要是對(duì)三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理完成的。后續(xù)處理過程主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波、模型構(gòu)建和紋理渲染等。

2.3 基于CAD的建模方法

基于CAD的建模方法主要是采用現(xiàn)有成熟的商業(yè)軟件如AutoCAD、3Ds MAX等建立三維CAD城市模型。目前，由于CAD在圖形圖像處理和三維數(shù)據(jù)建模方面有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而在三維空間的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等方面，CAD系統(tǒng)的應(yīng)用已比較成熟。該種建模方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)成果的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，可進(jìn)行逼真表示，細(xì)節(jié)程度水平較高，但其存在建模時(shí)間耗時(shí)長(zhǎng)、建模成本高、人機(jī)交互過程復(fù)雜、手工操作工作較多的缺點(diǎn)。

2.4 基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的建模方法

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展與高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使三維數(shù)據(jù)大批量地快速獲取已成為可能。這種建模方法主要的原理是基于遙感影像數(shù)據(jù)，根據(jù)遙感影像之間的相互關(guān)系，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基本原理，建立相應(yīng)的交會(huì)模型，進(jìn)而得到實(shí)際地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并且建立數(shù)字地表模型（DTM），再通過相應(yīng)的紋理映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維景觀模型的建立。因此，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在三維建模中具有十分重要的作用。針對(duì)上述分析，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)際情況，本文主要采用基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的三維模型構(gòu)建方法。

3 三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)

本文采用的三維數(shù)據(jù)獲取方法主要為：利用航空攝影測(cè)量獲取高分辨率航空影像，并制作數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字正射影像DOM；采用影像立體相對(duì)方法，獲取城市高精度數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)；建筑物表面紋理圖像通過地面采集車和人工拍攝相結(jié)合的方法獲取。

具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示：①采用數(shù)碼航攝儀獲取影像，并利用航攝儀后處理服務(wù)器進(jìn)行輻射校正與幾何校正；②采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站SSK、自動(dòng)空三和遙感影像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，DMC獲取的影像直接進(jìn)入自動(dòng)空三，經(jīng)過自動(dòng)內(nèi)定向、相對(duì)定向、自動(dòng)提取連接點(diǎn)，然后根據(jù)像控片再加入相應(yīng)的控制點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)解算，首先對(duì)所有的粗差像點(diǎn)在立體模式下進(jìn)行調(diào)節(jié)與改正，然后再對(duì)所有像控點(diǎn)進(jìn)行檢查與改正，直到所有的各項(xiàng)精度滿足要求后自動(dòng)生成加密點(diǎn)文件；③使用VirtuoZo生成相對(duì)，采取自動(dòng)匹配高程點(diǎn)、人工采集地形特征線相結(jié)合的方式采集建筑底部的輪廓線、地面特征點(diǎn)和特征線，并檢查相對(duì)定向和絕對(duì)定向精度，生成模型的核線、自動(dòng)匹配生成數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)；④根據(jù)采集的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM的特征點(diǎn)線與空三成果，對(duì)影像進(jìn)行重采樣并將中心投影轉(zhuǎn)換為正射投影，生成DOM數(shù)據(jù)；⑤將采集的底部與頂部的建筑線導(dǎo)入3Ds MAX中，根據(jù)外業(yè)提供的建筑物側(cè)面照片進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c紋理側(cè)面貼圖，分別如圖2和圖3所示。

圖1 城市三維模型流程圖

圖2 自動(dòng)生成三維模型

圖3 模型紋理貼圖

目前城市三維建模方法正在全速的發(fā)展中，三維城市模型的數(shù)據(jù)生產(chǎn)具有更為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和流程。本文主要闡述了三維城市數(shù)據(jù)獲取方式和城市三維建模方法，并將攝影測(cè)量技術(shù)與3Ds Max軟件相結(jié)合，進(jìn)行建筑物三維模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字城市的三維建模和顯示，可廣泛地應(yīng)用于城市規(guī)劃、城市旅游及城市交通等領(lǐng)域，為城市的發(fā)展規(guī)劃和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供空間數(shù)據(jù)的決策支持與服務(wù)。

［1］王春波.數(shù)字城市中三維模型的建立技術(shù)與應(yīng)用研究［J］.黑龍江科技信息，2016（1）：136.

Research on the Construction Method of Three Dimensional Model in the Construction of Digital City

Wang Chunbo
（Liaoning Provincial College of Communications，Shenyang Liaoning 110122）

The main bottleneck of the construction of digital city is how to quickly and effectively get the data of the 3D digital city model,and improve the level of automation.Based on this,based on the existing methods of 3D data acquisition,and according to the requirements of the 3D modeling of the digital city,3D model of building was build?ed with 3Ds Max and other software as platform,to find a relatively fast economic technical scheme.

digital city；digital photogrammetry；3D modeling

P208

A

1003-5168（2016）10-0052-02

2016-09-15

王春波（1978-），女，副教授，研究方向：遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。