利用立體像對建立城市三維景觀

田永明，王鴻，武豐雷

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

利用立體像對建立城市三維景觀

田永明?，王鴻，武豐雷

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

三維城市模型在數(shù)字城市建設(shè)中有著重大的作用，并在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文以適普公司的攝影測量工作站為基礎(chǔ)介紹了快速制作大面積城市三維模型的方法。

三維城市模型；立體像對；Imagis

1 引 言

在城市空間數(shù)據(jù)可視化表達(dá)中，二維數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)已經(jīng)解決，剩下的屬于藝術(shù)加工問題，而三維城市的建設(shè)目前還面臨幾個問題。一是海量的城市三維數(shù)據(jù)的建設(shè)時間及成本，二是數(shù)據(jù)更新，三是數(shù)據(jù)在城市規(guī)劃等城市建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

利用立體像對建模的方法制作三維景觀簡單模型，應(yīng)用于城市三維管理系統(tǒng)是一種新的方法、新的應(yīng)用，與虛擬現(xiàn)實的其他建模方法相比較有速度快、成本低、更新快、精度高等優(yōu)點，適用于大面積城市三維景觀模型中簡單模型的建立，利用該方法濟南市勘察測繪研究院制作了濟南市重點道路經(jīng)十路沿線 15 km2的低層建筑的三維景觀簡單模型。

2 主要工藝流程

在適普攝影測量工作站、Imagis MagiXity、3ds MAX中制作三維景觀簡單模型的主要工藝流程，如圖1所示。

圖1 制作三維景觀簡單模型的工藝流程圖

2.1 空三加密

本次區(qū)域網(wǎng)像片控制點的布設(shè)，完全按規(guī)范采用平高控制點的區(qū)域網(wǎng)布點方案，由于是采用DMC數(shù)字航攝儀，直接獲取了數(shù)字影像，只需要做一下數(shù)據(jù)格式變換，由所得的輻射分辨率12bit的數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換為16bit數(shù)據(jù)，再批量轉(zhuǎn)換為8bit數(shù)據(jù)，即可為空三加密軟件VirtuoZo AAT讀取?？杖用苤幸来芜M(jìn)行內(nèi)定向、相對定向、航帶偏移、自動轉(zhuǎn)點、自動挑點、絕對定向、平差計算即完成加密工作。

2.2 DEM(數(shù)字高程模型)獲取

數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型如圖2所示，是一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點和地形特征點、線的平面坐標(biāo)及高程的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集從數(shù)學(xué)上描述了該區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布。數(shù)字高程模型是建立數(shù)字城市的基礎(chǔ)信息之一，是賴以構(gòu)建城市三維景觀和進(jìn)行各種工程設(shè)計的基礎(chǔ)信息。

圖2 DEM渲暈圖

獲取DEM的方法很多，有來自機載激光掃描儀、Insar技術(shù)、野外測量、攝影測量以及基于數(shù)字化等高線和高程點信息創(chuàng)建DEM等。本文使用的DEM是采用攝影測量的方法獲得，利用點、線、面等方式對自動匹配結(jié)果進(jìn)行立體編輯，對于一些特殊地形的數(shù)據(jù)，如山脊、溝谷、黑影遮蓋區(qū)、大片居民區(qū)或水域等地區(qū)的影像，進(jìn)行匹配預(yù)處理，在模型中加測特征點、特征線和特征面輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動匹配，從而獲得更好的匹配結(jié)果。采集時按照具體情況對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，組合使用各種平滑算法、擬和算法以及內(nèi)插等對匹配不好的點進(jìn)行編輯，以獲得高精度的DEM成果。

濟南市高精度DEM數(shù)據(jù)，10 m×10 m格網(wǎng)間距，已經(jīng)多次應(yīng)用于規(guī)劃工作中，充分利用DEM已有資料，為這次生產(chǎn)節(jié)約了寶貴時間。

2.3 數(shù)字化測圖

在VirtuoZo的IGS數(shù)字化測圖模塊中測繪3層及3層以上10層以下的房屋建筑輪廓如圖3、圖4所示，在符號表中選擇一般房屋(符號—2110)對房屋建筑進(jìn)行測繪，同一房屋建筑則根據(jù)高程的不同分別進(jìn)行采集。采集過程中對重合的端點嚴(yán)格捕捉，異型屋頂不可簡略，以能滿足建立起與實際房屋形狀結(jié)構(gòu)相同的模型。由于像片控制點是采用GPS－RTK獲得，測圖時平面和高程精度完全滿足規(guī)范要求。

圖3 大面積測圖

圖4 數(shù)字地物量測

2.4 建立模型

Imagis三維可視地理信息系統(tǒng)是以數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字地面模型(DEM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字柵格圖(DRG)作為處理對象的GIS系統(tǒng)，它分為四部分:三維可視地理信息系統(tǒng)(Imagis Classic)，基于專業(yè)測量技術(shù)的城市建模和可視化系統(tǒng)(Imagis MagiXity)，影像快速漫游系統(tǒng)(Imagis 3DBrowser)及三維場景數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)(Imagis Web3D)。

3層及3層以上10層以下建筑模型的建立是在Imagis MagiXity中自動化完成。設(shè)置好DEM、原始航片、測圖文件的路徑后，模型根據(jù)DEM、測圖文件具有的屬性值自動建立起來，并自動提取原始航片上房屋建筑的部分紋理，頂部紋理完全提取，部分側(cè)面紋理被拉伸提取，模型建立后效果如圖5。人工對側(cè)面紋理進(jìn)行編輯，通過1∶2 000或1∶500數(shù)字線劃圖(DLG)獲取房屋建筑的層數(shù)信息，選擇側(cè)面較好的紋理以及實地拍攝數(shù)碼照片獲取的建筑物紋理作為材質(zhì)，用Photoshop對材質(zhì)進(jìn)行色彩、亮度、大小等方面的處理，利用處理后的材質(zhì)對自動提取的側(cè)面紋理效果差的房屋建筑進(jìn)行紋理貼圖，編輯后導(dǎo)出3ds模型文件。

10層以上建筑進(jìn)行精細(xì)建模，精細(xì)建模是在AutoCAD中提取建筑物的輪廓線，在3ds MAX中根據(jù)樓高、樓寬、樓長、影像、照片做出主體結(jié)構(gòu)，再用編輯多邊形等手段細(xì)化結(jié)構(gòu)，紋理則用采集的照片修出。面數(shù)多數(shù)在2 500以內(nèi)。

圖5 10層以下模型建立效果圖

圖6 導(dǎo)入3ds Max中

2.5 導(dǎo)出三維建筑模型

在Imagis中將每個像對中的房屋建筑模型按照AutoDesk 3ds文件輸出為一個3ds文件，在這個3ds中所有的房屋建筑作為一個模型存在。利用3ds MAX讀入上述3ds文件后如圖6所示，利用Export Selected將每個房屋建筑模型單獨作為一個3ds文件導(dǎo)出，完成后將所有模型導(dǎo)入到三維場景中進(jìn)行整合。

3 技術(shù)優(yōu)勢

利用立體像對建立大范圍城市三維景觀，這項技術(shù)是對城市三維地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)的一次新的提高。具有以下優(yōu)勢:

(1)大批量:大面積、大批量像對采集。利用立體像對，可在短期內(nèi)建立大范圍城市三維虛擬景觀，與傳統(tǒng)方式相比較，實現(xiàn)了建立高精度城市整體三維景觀的可能性。

(2)建模效率高:利用立體像對的建模技術(shù)，快速采集建筑物的矢量輪廓，自動提取建筑物影像紋理?；谌珨?shù)字?jǐn)z影測量工作站采集，自動正射影像紋理信息匹配，建立城市三維景觀的速度是傳統(tǒng)建模方式3ds MAX建模的3倍。

(3)經(jīng)濟效益大:傳統(tǒng)建模方式3ds MAX建立城市三維模型，建模速度比較慢，工作量大，需要很大的成本費用。而利用立體像對建模，無需人工采集素材，快速的建立模型的方式，大大節(jié)約了成本。實現(xiàn)短期內(nèi)建立城市三維景觀，數(shù)據(jù)與地理信息相結(jié)合，將在城市規(guī)劃、工程勘察、災(zāi)害預(yù)測與防治、資源調(diào)查與環(huán)境保護等領(lǐng)域起著非常重要的作用。

(4)更新快:隨著航飛、衛(wèi)星遙感技術(shù)的提高，隨著城市監(jiān)測技術(shù)需要，無論是航片還是衛(wèi)片都會在一定時間內(nèi)更新，而利用立體像對生產(chǎn)三維模型，也會隨著新的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市三維模型的更新。

(5)數(shù)據(jù)精度高:空三加密所使用的像控點，采用當(dāng)前GPS RTK方法進(jìn)行的測量，保證了快速獲取高精度的像控數(shù)據(jù)?；谌珨?shù)字?jǐn)z影測量立體采集的建筑物輪廓線，精度達(dá)到測繪產(chǎn)品要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方式建模產(chǎn)品。

4 心得體會

通過這次利用DMC制作三維景觀模型有如下的體會:

(1)為了保證模型紋理清晰、色彩鮮明、色調(diào)統(tǒng)一，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段應(yīng)該對DMC影像進(jìn)行勻色處理，使整個區(qū)域影像亮度對比度適中、色調(diào)均勻；

(2)在IGS模型采集過程中，每個XYZ文件內(nèi)模型數(shù)不宜過多，否則將導(dǎo)致模型導(dǎo)入失??；在處理模型紋理時應(yīng)當(dāng)盡量多的選取不同的清晰的立面紋理，這樣可以減少建筑物紋理的重復(fù)；

(3)在3ds MAX中導(dǎo)出三維模型文件時，為了防止模型編號重復(fù)，編號應(yīng)按照“作業(yè)員編號＋建筑層數(shù)＋序號”的方法編制，如:021035表示“2號作業(yè)員＋10層建筑＋第35個”。

5 結(jié) 論

由于城市發(fā)展迅速，城市規(guī)劃行業(yè)進(jìn)行航空拍攝的頻次較高，而且城市勘測單位擁有規(guī)模較大、經(jīng)驗豐富的數(shù)字?jǐn)z影測量生產(chǎn)隊伍，因此通過立體像對進(jìn)行城市三維建模將會越來越普遍。

[1]適普軟件有限公司.VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站使用手冊.

[2]楊娜，王鴻，梁坤.三維城市模型在“數(shù)字泉城”中的實現(xiàn)和應(yīng)用.城市勘測，2008(5)

The Production of Three－dimentional City Base on Stereo Pairs

Tian YongMing，Wang Hong，Wu FengLei
(Jinan Geotechnical Investigation And Surveying Institute，Jinan 250013，China)

Three－dimentional city model has been greatly applied to digital city contruction and has been widely used in many other fields.In this paper，the method of production of large area three－dimentional city model based on VituoZo photogrammetric station is introduced.

Three－dimentional City Model；Stereo Pairs；Imagis

1672－8262(2010)03－77－03

P231

B

2009—09—01

田永明(1979—)，男，助理工程師，主要從事攝影測量與遙感、工程測量等相關(guān)工作。