基于DSM和TDOM的城市三維模型構建

◎ 江蘇省基礎地理信息中心 虞泰泉 沈泉飛

【關鍵字】 城市三維模型DSM TDOM 像素工廠

1 引言

現階段的大規模數字城市三維建模過程中，建筑物模型基本上是基于矢量圖形將其通過建筑物的層高進行賦值拉伸得到，其高程信息不夠精確；同時在使用數字高程模型(DEM)和數字正射影像(DOM)進行地表建模時，由于DOM上建筑物存在投影差，建筑物模型不能夠與影像完全重疊。如何解決這些問題，快速建立更加精確的數字城市三維模型成為一個十分重要的課題。在“數字泰州”非精細三維城市建模專項任務中，我們通過“像素工廠”（Pixel Factory，PF）生產的數字表面模型（DSM）和真正射影像（TDOM），可以較好地解決這些問題。

2 DSM和TDOM獲取

DSM是指包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型；而DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息。DSM是在DEM的基礎上，進一步涵蓋了除地面以外的其它地表信息的高程模型，信息更加豐富，更能真實反映地表地物的高程信息。在一些對地物高度有特別精度需求的領域，DSM可以得到充分的利用，具有很強的技術優勢。基于DSM構建的三維模型如圖1所示。

圖1

TDOM是利用DSM，采用數字微分糾正技術，改正原始影像的幾何變形，使影像上每一點都被糾正為垂直視角而形成的影像圖。尤其在繁華的城市地區，TDOM像通過高精度DSM糾正消除了所有視差，建立了完全垂直視角的地表景觀，建筑物保持垂直視角，因此在真正射影像上，只顯示了建筑物的頂部，不顯示側面，避免了高大建筑物對其它地表信息的遮擋，其所包含的信息更全面、更豐富。因此，TDOM在城市空間信息領域中應用前景非常廣闊。TDOM真正射影像如圖2所示。

圖2

“像素工廠”是一套大型的遙感影像處理系統，系統基于集群處理技術，具有若干計算能力強大的計算節點，輸入數碼影像、衛星影像或者傳統光學掃描影像，能夠自動實現影像匹配、地物過濾、影像拼接、整體勻色和分幅輸出，在少量人工干預的條件下，經過一系列的自動化處理，生成數字表面模型(DSM)、數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)和真正射影像(True DOM)等。高精度的DSM和TDOM，對于航攝影像的航向重疊度和旁向重疊度要求分別至少達到68%和75%，原則上要求基高比（B/H）小于0.3。另外，還要保證在航向和旁向分別至少有3度重疊，符合這些條件才能夠生產出符合質量要求的真正射影像。

3 模型構建基本流程

基于數字表面模型構建城市三維模型具有很大的優勢，首先數字表面模型包含地表每一點的高程信息，直接將數字表面模型以高程為基準進行拉伸，即可以得到城市的三維高程顯示效果（圖1）。像素工廠可以輸出ascii和tif格式的數字表面模型，并且可以很容易轉換為其他格式，也可以構建TIN模型。利用DSM數據，經過數字微分糾正處理，生成TDOM數據。采用三維軟件（例如ArcScene），將TDOM與DSM進行疊加，可以看到所有建筑物、高架橋、樹木等地物的頂部影像能夠和DSM完美疊加，從而可以快速獲得包括地表景觀和建筑物頂部影像信息的三維模型。如圖3所示。

雖然DSM與TDOM疊加可以快速獲得城市三維模型，但是在實際應用中，由于DSM的精度越高其數據量越大，在軟件調用數據和快速瀏覽時勢必造成不利的影響，最好的解決辦法是利用已有的DLG數據或者根據TDOM構建筑物基本輪廓，在DSM上獲取建筑物的準確高程，從而生成建筑物的幾何模型。具體辦法是，首先將DLG數據投影到DSM上，通過高程內插方式獲得建筑物矢量上各角點的高程，然后按照同一房頂高程相同的幾何約束，利用最小二乘原理得到建筑物頂面的最優高程。 其次對DSM進行濾波處理，得到建模區域的DEM數據，同理將DLG投影到DEM上得到建筑物矢量所對應的地面高程，將二者相減從而獲得房屋準確高度。將建筑物矢量數據基于所獲取的高度信息進行垂直拉伸即可以得到建筑物的幾何模型。

圖3

圖4

圖5

三維模型構建的基本流程如圖4所示。

建筑物三維模型除了需要構建其空間幾何關系外，還需要其相應的紋理才能在計算機中真實地表達出實際三維物體。在目前以手工為主的三維建模過程中，貼紋理是一項非常費時費力的工序。TDOM中由于建筑物都已經被糾正為垂直投影，建筑物的頂面可以直接在TDOM中提取，投影到建筑物的頂面幾何模型上，節約了紋理處理的時間。

建筑物的側面紋理一般不能從影像數據中獲得，通常需要實地拍攝獲取。粘貼側面紋理之后的建筑物模型如圖5所示。

4 結論

在“數字城市”建設中，利用DSM、TDOM快速建立城市三維模型具有很大的優勢和發展前景，但DSM、TDOM的獲取是攝影測量與遙感領域的前沿課題，其大規模應用還處于起步階段，隨著科學研究與技術的發展，其應用必將廣泛。