利用立體像對(duì)建立城市三維景觀

田永明，王鴻，武豐雷

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

利用立體像對(duì)建立城市三維景觀

田永明?，王鴻，武豐雷

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文以適普公司的攝影測(cè)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(duì)；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(wèn)題，而三維城市的建設(shè)目前還面臨幾個(gè)問(wèn)題。一是海量的城市三維數(shù)據(jù)的建設(shè)時(shí)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(duì)建模的方法制作三維景觀簡(jiǎn)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(shí)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(diǎn)，適用于大面積城市三維景觀模型中簡(jiǎn)單模型的建立，利用該方法濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院制作了濟(jì)南市重點(diǎn)道路經(jīng)十路沿線 15 km2的低層建筑的三維景觀簡(jiǎn)單模型。

2 主要工藝流程

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

圖1 制作三維景觀簡(jiǎn)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(diǎn)的布設(shè)，完全按規(guī)范采用平高控制點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)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(duì)定向、航帶偏移、自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)、自動(dòng)挑點(diǎn)、絕對(duì)定向、平差計(jì)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(shí)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(diǎn)和地形特征點(diǎn)、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(jì)的基礎(chǔ)信息。

圖2 DEM渲暈圖

獲取DEM的方法很多，有來(lái)自機(jī)載激光掃描儀、Insar技術(shù)、野外測(cè)量、攝影測(cè)量以及基于數(shù)字化等高線和高程點(diǎn)信息創(chuàng)建DEM等。本文使用的DEM是采用攝影測(cè)量的方法獲得，利用點(diǎn)、線、面等方式對(duì)自動(dòng)匹配結(jié)果進(jìn)行立體編輯，對(duì)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(cè)特征點(diǎn)、特征線和特征面輔助系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)匹配，從而獲得更好的匹配結(jié)果。采集時(shí)按照具體情況對(duì)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(duì)匹配不好的點(diǎn)進(jìn)行編輯，以獲得高精度的DEM成果。

濟(jì)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(shí)間。

2.3 數(shù)字化測(cè)圖

在VirtuoZo的IGS數(shù)字化測(cè)圖模塊中測(cè)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(hào)表中選擇一般房屋(符號(hào)—2110)對(duì)房屋建筑進(jìn)行測(cè)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(guò)程中對(duì)重合的端點(diǎn)嚴(yán)格捕捉，異型屋頂不可簡(jiǎn)略，以能滿足建立起與實(shí)際房屋形狀結(jié)構(gòu)相同的模型。由于像片控制點(diǎn)是采用GPS－RTK獲得，測(cè)圖時(shí)平面和高程精度完全滿足規(guī)范要求。

圖3 大面積測(cè)圖

圖4 數(shù)字地物量測(cè)

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(duì)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(cè)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(chǎng)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(dòng)化完成。設(shè)置好DEM、原始航片、測(cè)圖文件的路徑后，模型根據(jù)DEM、測(cè)圖文件具有的屬性值自動(dòng)建立起來(lái)，并自動(dòng)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(duì)側(cè)面紋理進(jìn)行編輯，通過(guò)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(shí)地拍攝數(shù)碼照片獲取的建筑物紋理作為材質(zhì)，用Photoshop對(duì)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(duì)自動(dòng)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(zhǎng)、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(gè)像對(duì)中的房屋建筑模型按照AutoDesk 3ds文件輸出為一個(gè)3ds文件，在這個(gè)3ds中所有的房屋建筑作為一個(gè)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(gè)房屋建筑模型單獨(dú)作為一個(gè)3ds文件導(dǎo)出，完成后將所有模型導(dǎo)入到三維場(chǎng)景中進(jìn)行整合。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

利用立體像對(duì)建立大范圍城市三維景觀，這項(xiàng)技術(shù)是對(duì)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(shì):

(1)大批量:大面積、大批量像對(duì)采集。利用立體像對(duì)，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(shí)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(duì)的建模技術(shù)，快速采集建筑物的矢量輪廓，自動(dòng)提取建筑物影像紋理?；谌珨?shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站采集，自動(dòng)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(jì)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(fèi)用。而利用立體像對(duì)建模，無(wú)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(shí)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(cè)與防治、資源調(diào)查與環(huán)境保護(hù)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(cè)技術(shù)需要，無(wú)論是航片還是衛(wèi)片都會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)更新，而利用立體像對(duì)生產(chǎn)三維模型，也會(huì)隨著新的數(shù)據(jù)，實(shí)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(diǎn)，采用當(dāng)前GPS RTK方法進(jìn)行的測(cè)量，保證了快速獲取高精度的像控?cái)?shù)據(jù)?；谌珨?shù)字?jǐn)z影測(cè)量立體采集的建筑物輪廓線，精度達(dá)到測(cè)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(huì)

通過(guò)這次利用DMC制作三維景觀模型有如下的體會(huì):

(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(duì)DMC影像進(jìn)行勻色處理，使整個(gè)區(qū)域影像亮度對(duì)比度適中、色調(diào)均勻；

(2)在IGS模型采集過(guò)程中，每個(gè)XYZ文件內(nèi)模型數(shù)不宜過(guò)多，否則將導(dǎo)致模型導(dǎo)入失?。辉谔幚砟Ｐ图y理時(shí)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(shí)，為了防止模型編號(hào)重復(fù)，編號(hào)應(yīng)按照“作業(yè)員編號(hào)＋建筑層數(shù)＋序號(hào)”的方法編制，如:021035表示“2號(hào)作業(yè)員＋10層建筑＋第35個(gè)”。

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(cè)單位擁有規(guī)模較大、經(jīng)驗(yàn)豐富的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量生產(chǎn)隊(duì)伍，因此通過(guò)立體像對(duì)進(jìn)行城市三維建模將會(huì)越來(lái)越普遍。

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

[2]楊娜，王鴻，梁坤.三維城市模型在“數(shù)字泉城”中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用.城市勘測(cè)，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(cè)量與遙感、工程測(cè)量等相關(guān)工作。