基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的城市三維仿真系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用
——以長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)為例

胡志超,張鴻儒

(1.長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410007; 2.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院,湖南長(zhǎng)沙 410007)

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的城市三維仿真系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用
——以長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)為例

胡志超1*,張鴻儒2

(1.長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410007; 2.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院,湖南長(zhǎng)沙 410007)

首先闡述了城市三維仿真系統(tǒng)在規(guī)劃管理中的作用,然后結(jié)合長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)例,從三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建庫(kù)、三維數(shù)據(jù)庫(kù)組織管理、系統(tǒng)功能以及運(yùn)行維護(hù)機(jī)制等方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行闡述,其中著重介紹了采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù),利用傾斜攝影成果快速構(gòu)建和更新城市三維模型的方法。最后簡(jiǎn)單地介紹利用該系統(tǒng)所做的成功案例。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量;傾斜攝影;三維規(guī)劃審批系統(tǒng)

1 引 言

“三維城市仿真”是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大容量存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ),運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等測(cè)繪技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對(duì)城市進(jìn)行多尺度、多時(shí)空的三維模擬,為使用者提供一個(gè)類似真實(shí)生活環(huán)境的虛擬城市。因此,虛擬仿真技術(shù)在城市規(guī)劃工作尤其是規(guī)劃管理和決策階段的應(yīng)用是時(shí)代和行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過逼真的三維仿真環(huán)境,三維規(guī)劃審批系統(tǒng)可以對(duì)規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行真實(shí)的“再現(xiàn)”,有助于政府部門提高項(xiàng)目評(píng)估和規(guī)劃決策質(zhì)量,合理利用土地資源,以確定更為科學(xué)的開發(fā)策略和規(guī)劃方案,使規(guī)劃管理工作更加科學(xué),城市發(fā)展更加有序。

2 全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)VirtuoZo

建立城市三維規(guī)劃審批系統(tǒng),最基本的工作是三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建庫(kù),所以要選擇一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、功能完善的空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)。VirtuoZo是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以快速地生成DEM、DOM產(chǎn)品,也能夠交互式地采集地物的輪廓線,進(jìn)而通過程序自動(dòng)建立三維模型并為各個(gè)表面貼上對(duì)應(yīng)的紋理。在長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)中,運(yùn)用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)更新周期短、空間地理位置精度高、制作成本低等高端目標(biāo)。

3 長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)的建設(shè)

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)是全國(guó)“兩型社會(huì)”綜合配套改革試點(diǎn)先導(dǎo)突破區(qū)、湖南省經(jīng)濟(jì)重心跨湘江發(fā)展戰(zhàn)略支點(diǎn)、長(zhǎng)株潭城市群戰(zhàn)略整合核心承載區(qū)。因此,大河西先導(dǎo)區(qū)需要一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的三維規(guī)劃審批系統(tǒng)來(lái)滿足規(guī)劃管理的需求,該系統(tǒng)必須滿足三維模型數(shù)據(jù)更新快,現(xiàn)實(shí)性高、數(shù)據(jù)精度高、系統(tǒng)功能強(qiáng)大等要求。系統(tǒng)建設(shè)主要包括三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)、三維數(shù)據(jù)庫(kù)制作和管理以及三維規(guī)劃審批系統(tǒng)建設(shè)這三大部分。

3.1 三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)建設(shè)充分利用了現(xiàn)有的二維地理數(shù)據(jù)庫(kù)和4D產(chǎn)品成果。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,滿足三維建庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)后,導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和場(chǎng)景整合。

3.1.1 數(shù)字地形圖建庫(kù)

提取ArcGIS庫(kù)中各種比例尺的地形圖數(shù)據(jù)中建筑物的要素和注記信息,根據(jù)樓層數(shù)或者樓層高度屬性自動(dòng)生成三維模型數(shù)據(jù)(粗模數(shù)據(jù))。這種模型數(shù)據(jù)具有更新速度快、現(xiàn)勢(shì)性高、制作成本低,建筑物空間位置準(zhǔn)確等特點(diǎn),缺點(diǎn)是不能反映模型外部紋理信息。

3.1.2 正射影像圖建庫(kù)

由于正射糾正不能完全消除某些高層建筑的投影變形,造成將建筑物三維模型導(dǎo)入DEM與DOM構(gòu)建的地形后,其三維模型的基底不能完全覆蓋該建筑物在原始DOM的影像(屋頂或側(cè)面影像),所以要先根據(jù)實(shí)地周邊情況對(duì)DOM上超過7層以上的房屋影像進(jìn)行修正,消除投影變形。

3.1.3 數(shù)字高程模型建庫(kù)

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)中采用現(xiàn)有的5 m格網(wǎng)精度的DEM數(shù)據(jù),5 m精度格網(wǎng)DEM在表現(xiàn)山體、密集建筑區(qū)、次要道路、景觀綠地等地形上,基本可以滿足視覺要求,但對(duì)于狹長(zhǎng)地形(例如主干道、河流堤壩、鐵路等),顯示效果則不夠理想,往往出現(xiàn)波浪起伏狀。解決方法是將狹長(zhǎng)地形DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入VirtuoZo的DEM—Maker中進(jìn)行置平、內(nèi)插、平滑等編輯后,再導(dǎo)出為1 m精度格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)。

3.1.4 管線數(shù)據(jù)建庫(kù)

地下管線的建庫(kù)是將具有三維坐標(biāo)的源數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入,根據(jù)管線的類型、管徑的大小、埋深等信息自動(dòng)生成與現(xiàn)實(shí)相吻合的三維管線數(shù)據(jù)庫(kù),并且生成的三維管線具有和源數(shù)據(jù)相同的屬性信息。

3.1.5 三維模型數(shù)據(jù)建庫(kù)

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模,采用這種方法建模速度快,自動(dòng)化程度和模型精度高,三維建模的規(guī)模越大,越能顯示其優(yōu)越性。通過攝影測(cè)量,城市真實(shí)三維景觀模型可根據(jù)大比例尺航攝影像采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法,精確測(cè)得建筑物的空間三維坐標(biāo),由軟件(D-Build)自動(dòng)生成建筑物的結(jié)構(gòu)模型并貼上相對(duì)應(yīng)的航片上的紋理,最后在3ds Max中對(duì)三維模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和紋理補(bǔ)充。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)三維模型制作流程圖

城市三維模型數(shù)據(jù)制作的過程主要包括:三維模型結(jié)構(gòu)的獲取和外部紋理自動(dòng)貼圖與加工處理兩大部分。

(1)三維模型結(jié)構(gòu)的獲取

首先人工使用VirtuoZo中IGS數(shù)字化測(cè)圖工具在立體模型上測(cè)得建筑物屋頂?shù)年P(guān)鍵角點(diǎn),并由采集的點(diǎn)集構(gòu)成面文件(文件格式為*.xyz)。然后通過DBuild程序結(jié)合DEM數(shù)據(jù)生成建筑物結(jié)構(gòu)模型。

三維模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集要遵循以下原則:

①當(dāng)影像因倒向不同只能看到一面而不能完全分辨房屋整體時(shí),則應(yīng)選擇多個(gè)像對(duì)來(lái)分辨其具體位置及結(jié)構(gòu)類型;

②當(dāng)房屋頂部是由多個(gè)不同高程的面(房屋、建筑)組成時(shí),應(yīng)將每個(gè)面按其實(shí)際位置和高程逐面區(qū)分;

③在構(gòu)面時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)重復(fù)的數(shù)據(jù),也就是房頂上小房子矢量出來(lái)的面與大房子的面重疊在一起的錯(cuò)誤;

④斜面屋頂房屋采集方法應(yīng)根據(jù)斜面的高低進(jìn)行采集,一般人字形房屋沒有拐角,兩邊大小應(yīng)相同。復(fù)雜斜面,不規(guī)則斜面,則根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)情況分化為多個(gè)面;

最后對(duì)生成的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核,檢核的工作主要包括:a.層次結(jié)構(gòu)檢查。通過與航測(cè)像對(duì)進(jìn)行比對(duì),檢查三維模型的層次結(jié)構(gòu)是否都正確;b.模型邊緣垂直與平行檢查;c.未咬合錯(cuò)誤檢查;d.閃爍面錯(cuò)誤檢查;e.零高程錯(cuò)誤檢查,該情況多出現(xiàn)于地形有變化的區(qū)域。

(2)三維模型紋理自動(dòng)貼圖與加工處理

城市三維模型數(shù)據(jù)制作的絕大部分工作量集中在為三維模型貼紋理,因此通過計(jì)算機(jī)程序,根據(jù)空間坐標(biāo)、相機(jī)參數(shù)、像片的內(nèi)外方位元素等參數(shù)自動(dòng)地在航攝相片上找到對(duì)應(yīng)的紋理,并進(jìn)行裁剪處理,最后將該紋理貼到對(duì)應(yīng)的模型面上的方法可以提高模型的制作效率。

隨著航空攝影的技術(shù)的發(fā)展(傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用)和航空攝影成像的分辨率、精度以及航片重疊度的提高。采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)制作的三維模型的精度以及外部紋理的精細(xì)度也得到了大大提高。

(3)具體實(shí)施

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維模型數(shù)據(jù)制作采用傾斜攝影技術(shù),傾斜攝影系統(tǒng)由一個(gè)垂直鏡頭和兩個(gè)傾斜鏡頭組成,在航空攝影過程中,相機(jī)每曝光一次,旋轉(zhuǎn)90°,以此方式,就獲取垂直影像和四個(gè)方向的傾斜影像。相比傳統(tǒng)的攝影方式,傾斜攝影方式更容易獲得建筑物的高清晰度側(cè)面紋理。三維模型數(shù)據(jù)制作的主要實(shí)現(xiàn)方法如下:

①通過適普公司的D-build軟件,根據(jù)手工采集的三維模型外部輪廓面文件、相機(jī)參數(shù)、像片內(nèi)外定向文件、垂直鏡頭影像數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)生成帶外部紋理的三維模型數(shù)據(jù)。

②程序自動(dòng)生成的三維模型數(shù)據(jù)的頂部紋理以及樓間距較大的高層建筑側(cè)面紋理的精細(xì)度和準(zhǔn)確率都很高,完全可以滿足規(guī)劃管理要求。但對(duì)于建筑物密集區(qū)域或者低層建筑物,由程序自動(dòng)提取的模型側(cè)面紋理有些不夠完整、不夠清晰或者根本提取不到。因此,需要手工在傾斜像片中找到相應(yīng)紋理進(jìn)行貼圖。相比實(shí)地拍照獲取的像片,航攝像片中提取的建筑物側(cè)面紋理受樹木、路燈、行人等遮擋影響較小。圖2所示為自動(dòng)貼圖的三維模型。

圖2 自動(dòng)貼圖三維模型

③對(duì)于城市的地標(biāo)建筑和其他結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的建筑,則需采用實(shí)地?cái)?shù)碼相機(jī)拍照結(jié)合內(nèi)業(yè)3ds Max精細(xì)建模的傳統(tǒng)方法進(jìn)行三維精細(xì)模型的制作,其制作流程總體可以分為兩部分:首先得到建筑物的自動(dòng)貼圖三維模型,然后在此模型基礎(chǔ)上結(jié)合外業(yè)采集的建筑物數(shù)碼相片在3ds Max軟件中對(duì)程序自動(dòng)貼圖生成的三維模型進(jìn)行精細(xì)加工。圖3表示三維精細(xì)模型的制作流程,圖中第一步是利用IGS工具在立體像對(duì)上采集建筑物的結(jié)構(gòu)線;第二步是利用D-build軟件自動(dòng)生成帶紋理貼圖的三維中模;第三步是結(jié)合外業(yè)拍照獲得的數(shù)碼照片在3ds Max軟件中對(duì)三維中模數(shù)據(jù)再進(jìn)行精細(xì)加工。

圖3 三維精細(xì)模型制作過程

3.2 三維數(shù)據(jù)庫(kù)制作和管理

三維數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多等特點(diǎn),因此選擇一個(gè)高效、可靠的三維數(shù)據(jù)庫(kù)制作管理平臺(tái)直接關(guān)系到三維規(guī)劃審批系統(tǒng)在今后規(guī)劃管理工作中的推廣和應(yīng)用。

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)建設(shè)采用北京海澄華圖科技有限公司的三維空間信息服務(wù)平臺(tái)NVP對(duì)三維數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理,該平臺(tái)在海量數(shù)據(jù)支持、三維效果、數(shù)據(jù)接口種類等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。該平臺(tái)包含數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)整合兩大工具。

三維數(shù)據(jù)處理工具:主要包含海量地形/影像數(shù)據(jù)處理工具、海量三維模型數(shù)據(jù)處理工具、海量矢量數(shù)據(jù)處理工具。

三維數(shù)據(jù)整合工具:它通過三維坐標(biāo)信息將DOM和DEM數(shù)據(jù)融合起來(lái)形成三維地貌模型,并設(shè)置三維模型、地形圖、管線、規(guī)劃方案、VR要素等數(shù)據(jù)顯示范圍、優(yōu)先級(jí)、所處數(shù)據(jù)層等參數(shù),最后將所有三維數(shù)據(jù)類型整合起來(lái)構(gòu)建城市三維場(chǎng)景。

3.3 三維規(guī)劃審批系統(tǒng)建設(shè)

在完成了大河西先導(dǎo)區(qū)三維模型數(shù)據(jù)建庫(kù)與整合后,結(jié)合規(guī)劃管理日常工作需求,開發(fā)了長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)。系統(tǒng)的界面如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)界面

(1)系統(tǒng)功能介紹

①具有場(chǎng)景漫游、定制飛行、車載瀏覽、步行瀏覽等多種模式的場(chǎng)景觀賞功能。提供多個(gè)視角觀察新建建筑與周邊環(huán)境的整體空間關(guān)系;

②具有分層管理和三維量算能力;

③支持多種格式(3ds、CAD、Shape)文件的導(dǎo)入、導(dǎo)出,并支持按任意范圍裁切并導(dǎo)出三維場(chǎng)景數(shù)據(jù);

④具有對(duì)規(guī)劃方案動(dòng)態(tài)修改功能,能夠?qū)崟r(shí)反映評(píng)審修改意見;

⑤分屏方案對(duì)比功能;

⑥控高分析功能,能直觀展現(xiàn)方案范圍內(nèi)的建筑控制高度;

⑦日照分析功能,系統(tǒng)將對(duì)選定的建筑物在各個(gè)時(shí)間段的日照對(duì)建筑物的陰影分析效果進(jìn)行展示;

⑧通視分析功能,系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出任意選定兩點(diǎn)間的通視關(guān)系;

⑨三維管網(wǎng)查詢分析功能包括管線載入、管線查詢、管點(diǎn)查詢、地表透明、管線抬升等功能;

⑩功能打包,可根據(jù)用戶的級(jí)別定制不同的功能。

(2)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

①采用海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可視化管理技術(shù),對(duì)多元多尺度數(shù)據(jù)無(wú)縫集成。系統(tǒng)運(yùn)行速度快,根據(jù)近處優(yōu)先的原則,由近及遠(yuǎn)的動(dòng)態(tài)加載三維模型;

②系統(tǒng)中使用的各類數(shù)據(jù)符合長(zhǎng)沙市城市坐標(biāo)系和高程系,數(shù)據(jù)具備匹配現(xiàn)狀的坐標(biāo)、標(biāo)高和屬性,建筑物具備真實(shí)的形態(tài);

③三維空間數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)。

(3)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)機(jī)制

當(dāng)前建立了“勘測(cè)院—設(shè)計(jì)單位—審批部門”的三層應(yīng)用機(jī)制。其中,勘測(cè)院提供三維現(xiàn)狀地形、整合三維方案模型;設(shè)計(jì)單位提供三維方案模型;審批部門對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審批。運(yùn)維流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)維流程

4 應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、使用方便,已先后應(yīng)用于多個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案評(píng)審、城市設(shè)計(jì)以及重點(diǎn)工程方案評(píng)價(jià)中。如圖6所示,在賀龍?bào)w育館城市設(shè)計(jì)中,運(yùn)用三維規(guī)劃審批系統(tǒng),按照賀龍?bào)w育中心周邊建筑高度控制,需要滿足體育中心主席臺(tái)安全防射要求,對(duì)體育中心周邊建筑高度范圍進(jìn)行三維模擬,對(duì)現(xiàn)有建筑高度進(jìn)行影響評(píng)估,同時(shí)為新建建筑提供高度控制依據(jù)。從分析圖中可以清晰看到高度超過藍(lán)色扇面的建筑物不滿足高度控制原則。如圖7所示,在第四醫(yī)院外科樓設(shè)計(jì)方案評(píng)審中,運(yùn)用該系統(tǒng)可以模擬出該新建建筑方案對(duì)周邊環(huán)境的影響(例如,判斷該建筑物是否會(huì)影響在新民路等重要交通節(jié)點(diǎn)對(duì)岳麓山山體形態(tài)的連續(xù)觀測(cè)、判斷它建成后對(duì)長(zhǎng)沙“山水洲城”這個(gè)特色格局是否造成破壞以及它對(duì)整體色調(diào)的影響等),為審批者做出科學(xué)決策提供依據(jù)。

圖6 賀龍?bào)w育館城市設(shè)計(jì)

圖7 第四醫(yī)院外科樓設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)語(yǔ)及展望

本文結(jié)合長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)建設(shè)實(shí)例,提出了一種基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的城市三維仿真系統(tǒng)建設(shè)流程。系統(tǒng)建設(shè)充分利用現(xiàn)有二維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),并通過程序在三維模型建模和紋理貼圖上實(shí)現(xiàn)了較大程度的自動(dòng)化,極大地簡(jiǎn)化了勞動(dòng)量,特別是傾斜攝影航片的應(yīng)用,使由程序自動(dòng)生成的三維模型精度和美觀性得到很大的提升,完全滿足規(guī)劃管理的需求。同時(shí),系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)加載三維模型的原則,使系統(tǒng)運(yùn)行脫離了計(jì)算機(jī)硬件條件的限制,在普通的辦公電腦上也能夠很流暢地運(yùn)行。其次,系統(tǒng)具有的規(guī)劃審批功能使規(guī)劃管理工作更科學(xué)、更直觀、更高效。

在接下來(lái)的工作中,要進(jìn)一步完善三維模型自動(dòng)提取軟件D-build的功能,使其充分利用傾斜攝影像片成果,能夠自動(dòng)從垂直像片上提取建筑物頂部紋理,而在傾斜像片中提取相應(yīng)側(cè)面紋理,從而進(jìn)一步提高三維模型的生產(chǎn)效率。

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The Construction and Application of City 3D Simulation System Based on Digital Photogrammetry

Hu ZhiChao1,Zhang HongRu2
(1.Changsha Design and Research Institute of Exploration and Surveying,Changsha 410007,China; 2.HuNan Land Resources Planning Institute,Changsha 410007,China)

This article introduces the function of 3d planning system in urban management and planning at first,and then combined with the example of construction of big Hexi District's 3d planning system,This article introduces the construction of 3d geodata database,the organization and management of 3d geodata database,system function,and the mechanism of running attention.This Paper introduces the technology of oblique aerial photography,the method of Building and updating Urban 3d models rapidly in detail.The paper introduces the successful examples by using this system at last.

Digital Photogrammetry;oblique aerial photography;3d planning system

1672-8262(2011)04-35-05

P208.2

A

2010—10—22

胡志超(1985—),男,助理工程師,主要從事三維GIS研究與應(yīng)用。