基于數字攝影測量技術的三維建模方法探討

摘要：在“數字城市”建設過程中，二維空間數據一直作為空間信息基礎設施框架重要的數據內容，在城市規劃、交通、市政等各領域應用廣泛，但傳統的二維數據很難表現城市三維空間形態的多樣性和復雜性以及相互之間的關系。文章介紹了三維建模的背景及意義，簡述了數字城市三維建模的一些方法，并以數字沈陽三維建模為例，重點闡述了基于數字攝影測量技術的三維建模方法。

關鍵詞：三維模型;數字攝影測量;三維地理信息系統;數字城市;城市規劃 文獻標識碼：A

中圖分類號：P232 文章編號：1009-2374（2015）02-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0108

1 概述

“數字城市”是隨著“數字地球”戰略的提出應運而生的，是解決城市問題的綜合性工程。在“數字城市”建設過程中，二維空間數據一直作為空間信息基礎設施框架重要的數據內容，其在城市規劃、交通、市政等各領域應用廣泛，但傳統的二維數據很難表現城市三維空間形態的多樣性和復雜性以及相互之間的關系。城市三維空間信息則具有直觀性強、信息量大、內容豐富等優點。三維地理信息系統已成為數字城市的重要組成部分，而三維模型的建立是三維地理信息系統建立基礎。本文對基于數字攝影測量技術的三維建模方法進行探討。

2 構建三維模型的方法

三維模型數據生產是建設數字城市三維地理信息系統的核心，三維模型的精度和建模效率直接影響著三維地理信息系統的實用性和建設周期。現將有代表性的四種建模方式列出：

第一，基于航空攝影測量的三維建模技術。通過航空攝影測量技術，在立體環境下，能快速準確獲取建筑物等三維模型數據的位置、形狀及高度信息，再加以外業紋理采集及正射影像屋頂信息即可構建精細三維模型。成熟的DEM數據及DOM數據生產技術路線能快速重建三維場景中的地形數據，真實展現城市風貌。

第二，采用機載激光雷達掃描，快速獲取城市建筑模型及地表模型，但是這種方式獲取的數據量非常龐大，若需提取有用信息必須加上很多人工干預，此種方法建立的三維立體模型沒有建筑物的色彩紋理。

第四，基于規劃圖紙等二維數據資料的城市三維建模方法，利用AutoCAD、3DS Max等軟件建立三維模型數據，但是此方法需要大量的工作來收集數據，且數據的時效性存在不確定性，對于建筑物頂部紋理存在盲區，高程數據的獲取工作量亦較大。同樣此種方法建立的三維立體模型沒有建筑物的色彩紋理。

第五，SWDC-5傾斜攝影系統及SSW-2車載建模測量系統這兩個系統是劉先林院士在第六屆中國數字城市建設技術研討會數字城市高峰論壇上提出的，目前正在推廣應用階段。

3 基于數字攝影測量技術的三維建模方法

基于數字攝影測量技術的三維數據制作工藝，其具體優勢如下：

第一，數據的獲取、處理、分發等都是以數字的形式，攝影測量所有工序都可以在計算機上實現，并且涵蓋整個傳統攝影測量的各個工序。

第二，數字攝影測量技術能夠協助設計人員快速建立地面建筑的空間幾何、高程數據，具有幾何精度高、成像速度快等特點;地面建筑空間幾何精度可以達到厘米級，數據更新較容易，且可應用于大的工程項目和國家范圍內的數據采集，為數字城市乃至數字地球提供基礎數據框架。

第三，基于數字攝影測量技術的城市三維模型數據，與通常的計算機動畫制作和仿真模擬景觀的不同之處在于，它是根據建筑物的實際三維地理坐標，構建真實的城市三維景觀模型。在此三維景觀模型數據中，建筑物之間的空間位置關系與實地是完全對應的，而且任意點的空間三維坐標是可以量測的，具備測繪級別的數據精度。

采用數字攝影測量技術的數字沈陽三維建模技術路線如下圖1所示：

圖1 技術路線

3.1 航空攝影測量

本項目航空攝影采用DMC全數字航攝儀，獲得航攝比例尺為1∶5000、影像地面分辨率0.06m的影像資料。利用獲得的影像資料和外業像控資料通過航天遠景的DATMatrix軟件進行空三加密，獲取內業測量所需要的外方位元素和加密點坐標。

3.2 建立數字高程模型（DEM）

DEM是建立數字城市的基礎信息之一。本項目利用空三加密后的數據在航天遠景的MapMatrix軟件中自動創建立體模型，并檢查相對定向、絕對定向精度，生成模型的大地核線、自動匹配，生成5m格網的DEM文件。在匹配編輯窗口中依作業指導書進行等視差曲線或等高線的編輯使所有曲線均貼緊地面，最后生成DEM并進行DEM接邊檢查與處理。

3.3 生成數字正射影像圖（DOM）

數字攝影測量系統可以進行正射影像糾正和鑲嵌、裁切等。將DOM與DEM疊加，可生成城市的三維景觀。本項目用經過接邊處理后的DEM進行正攝糾正，糾正后的航片在航天遠景的EPT中進行，勻色、勻光、調整編輯拼接線鑲嵌影像。最后按圖幅坐標裁切。

3.4 真正射影像圖生產（TDOM）

三維建模區背景圖是DOM產品的一種，本項目建模范圍內地面進行真正射生產。與普通數字正射影像產品的區別是：三維建模區所用的背景圖對所有建筑物都進行了中心投影糾正，從而保證建筑物無投影差。利用全數字攝影測量系統，在立體環境下采集建筑物幾何特征信息。攝影測量系統所采集的建筑物矢量數據，是制作三維建模區背景圖的數學基礎，利用此數據對正射影像數據進行再次精糾正，即可消除建筑物投影差。

3.5 建立城市真實三維景觀模型

城市真實三維景觀模型可根據大比例尺航攝影像通過數字攝影測量方法，精確測得物體目標的空間三維坐標及獲取建筑物的部分紋理，由相應軟件自動生成建筑物的結構模型。

3.5.1 基礎模型的制作。利用空三加密后的數據在MapMatrix的立體環境下按照《沈陽三維地理信息系統建設設計書》對建筑物分類及模型合并標準的要求，對建筑物房頂及橋梁進行對應的平面幾何和高程數據的采集，并達到平面位置精度<50cm、高程精度<80cm。根據采集的矢量線利用相關軟件生成三維模型。

3.5.2 屋頂紋理的提取。按要求對原始影像進行色調處理后，在相應的軟件下進行影像與基礎模型的同名點的匹配，并達到合格精度，軟件自動提取建筑物頂部紋理。

3.5.3 外業紋理采集。利用手持數碼相機，根據外業紋理采集規范，采集測區范圍內所有建筑物側面紋理信息。在外業采集紋理相片時，需要將每個建筑物的外部輪廓用相機清楚地記錄下來，并保證相鄰毗連建筑的紋理接邊。在采集過程中，必須有建筑物整體紋理效果及建筑物局部放大紋理效果，對于特征建筑物及建筑物的局部特征細節需要詳細記錄。

3.5.4 三維模型制作。沈陽三維地理信息系統中，三維模型主要分為地形模型、建筑模型、道路模型、植被模型、市政設施模型等五大類和精細模型、標準模型兩個級別。

要求在較短的時間內完成沈陽市區大規模的三維建模，這對建模效率及數據質量都有很高要求。因為地形、道路和植被模型一般結構比較簡單，建筑和市政設施模型相對復雜，所以我們采用3DS Max與MultiGen Creator兩種軟件結合起來進行建模，即：用MultiGen Creator制作地形模型、植被模型和道路模型，用3DS Max制作建筑模型和市政設施模型。

3.6 城市三維場景整合

采用高德的TerrainBuilder、ModelBuilder等工具軟件，對DOM、DEM、模型、精細場景等進行優化、發布，整合生成數字城市三維場景。

4 結語

本文通過對數字沈陽三維建模項目的闡述，認為基于數字攝影測量技術的三維建模是一種非常行之有效的建模方法，但同時也存在著一些問題，如批量建模的自動化等還有待于廣大測繪人員進一步研究和探討。

參考文獻

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作者簡介：趙麗梅（1977-），女，遼寧鐵嶺人，沈陽市勘察測繪研究院高級工程師，研究方向：航空攝影測量與遙感應用。

（責任編輯：周 瓊）