虛擬城市建模數(shù)據(jù)采集方法的研究

杜寶鑫，李恩重

(1.雙鴨山市國土資源勘測規(guī)劃院，黑龍江雙鴨山 155100;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

虛擬城市建模數(shù)據(jù)采集方法的研究

杜寶鑫1，李恩重2

(1.雙鴨山市國土資源勘測規(guī)劃院，黑龍江雙鴨山 155100;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

城市建模是信息時代發(fā)展的必然產(chǎn)物，而數(shù)據(jù)的獲取是城市建模重要內(nèi)容與基礎;本文主要介紹了如何通過航空立體相對及地面近景攝影測量相結合的方法獲取城市建模所需的幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，并對幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)進行編輯;著重闡述了全數(shù)字攝影測量的方法獲取城市三維空間要素的基本原則。

城市建模;幾何數(shù)據(jù);紋理數(shù)據(jù);數(shù)字攝影測量;三維

1 概況

虛擬城市建模，即以真實的地理空間位置再現(xiàn)城市現(xiàn)狀景觀，是反映城市現(xiàn)狀的真實模型。如何選擇一個合適的數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺是十分重要的。數(shù)字攝影測量以數(shù)字航空影像為基礎，是基于數(shù)字像素的攝影測量，通過計算機分析和處理獲取數(shù)字圖形和數(shù)字影像信息的攝影測量技術。

2 虛擬城市建模的數(shù)據(jù)采集方法

2.1 數(shù)據(jù)的獲取與轉換

將航空攝影所得的數(shù)碼相片轉換成數(shù)字攝影測量軟件能識別的數(shù)字圖像格式，并獲取所需的原始資料和元數(shù)據(jù)資料。原始數(shù)據(jù)資料包括:拍攝時間、地面控制點文件、相機檢校參數(shù)、航攝比例尺等;元數(shù)據(jù)資料包括中央子午線、航高、航攝比例尺、主距、航攝單位等。

2.2 定向模型的建立

要進行向量測圖，獲取城市建模所需的幾何數(shù)據(jù)。首先需要建立立體模型，即定向建模型，具體包括以下5個步驟:

2.2.1 內(nèi)定向

內(nèi)定向就是解決框標坐標系與相片坐標系之間的關系，同時進行數(shù)字影像的變形改正。

2.2.2 相對定向

相對定向是確定像對的相對幾何模型，最終建立立體模型;相對定向的精度對整個作業(yè)過程影響很大，好的相對定向會帶來好的大地定向結果及較高的相關成功率，降低測圖視差，立體好。

2.2.3 核線重采樣

相對定向后，就可以建立一個沒有上下視差的理想像對，絕對定向、自動獲取DEM及向量測圖都將在核線影像上完成。由于是立體像對作業(yè)，只對重疊范圍內(nèi)做核線糾正，所以核線影像大約為原始影像的65%。

2.2.4 絕對定向

絕對定向為了獲取模型坐標系與大地坐標系之間的幾何關系。

2.2.5 定義工作區(qū)

做完定向后要對工作區(qū)進行圈定，大部分情況下應選擇大地點來設定工作區(qū)，左右像對應選擇共有的那兩個控制點，選好的工作區(qū)最好是一個物方多邊形，以便于作業(yè)。這樣像對的模型就建立起來了。

2.3 數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)的獲取

2.3.1 數(shù)字高程模型(DEM)的獲取

在數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中，物方DEM可直接由相片得到。DEM向量數(shù)據(jù)采集時，主要針對匹配比較困難的地區(qū)做一些處理，然后設置相應的參數(shù)，由于用戶所測的向量可以用來做為相關的初值，因而在進行相關之前，系統(tǒng)會自動將用戶當前所打開的向量做為特征線提取出來，參與相關和構TIN。第一次相關時的DEM精度較差，即“粗格網(wǎng)”，在相關完后可進行簡單編輯，然后將編輯后的“粗格網(wǎng)”作為已知數(shù)據(jù)(初值)再次相關，得到最終高精度的DEM。

2.3.2 正射影像(DOM)的獲取

系統(tǒng)自動創(chuàng)建正射影像并進行立體觀察，并通過左片或右片生成一個像對的DOM，再由中間切開后合并。

2.4 DOM和DEM的鑲嵌

在做DEM鑲嵌之前要做DEM的接邊，并對結果存在的粗差點進行修測、編輯，重新創(chuàng)建物方DEM后，在進行像方DEM的接邊。DEM和DOM的鑲嵌可由系統(tǒng)自動完成。

2.5 向量測圖

測圖的內(nèi)容主要包括:實地存在的建筑物和構筑物。

進行三維建筑模型的采集時，要保證采集的每一個建筑模型(包括分割的建筑模型)都是由一筆畫成，具體的采集方法為:

1)建筑物大部分都只能看到房頂部分，而地面的房角點很難看得比較清楚，因此房屋的數(shù)據(jù)采集應從房頂?shù)淖罡咛帨y起(如房脊)，然后測房檐的各個角點，最后一點采集能夠看得清楚的地面點作為房底角點的高程坐標。

2)植被在采集時也是和建筑模型的采集類似，采集地面范圍線，在首點或尾點取得地物高。

3)對于復雜建筑的分割，可以根據(jù)建筑物的建筑形態(tài)和特征進行分割。

4)線狀居民地采集中心線，同時獲取地表高程值。

3 三維城市模型的建立

從本質而言，城市建模應該分為幾何建模與紋理建模兩部分組成，它由2部分組成，即:①DEM+DOM構成三維地形表面;②由房屋的紋理與幾何模型構成三維建筑物。

3.1 幾何建模

3.1.1 地物模型

用立體匹配生成的DEM數(shù)據(jù)對檢測出的建筑物輪廓范圍進行插值，如果某匹配點對應于候選建筑物輪廓內(nèi)的某點，則把匹配點DEM信息賦值給輪廓內(nèi)的點。通過這種簡單的二維建筑物輪廓信息和三維高度信息的融合可得到城市航空影像中建筑物的三維信息。

3.1.2 地形建模

地形建模主要是表達地表高低起伏的狀態(tài)，因此可用DEM+DOM構成三維地形表面，見圖1。

圖1 DEM與DOM構成的三維地形示意圖

3.2 紋理建模

3.2.1 建筑結構數(shù)據(jù)的獲取與處理

建筑結構是指地面存在的各種三維實體;可以通過數(shù)字攝影測量方法在立體模型上采集建筑物的特征點坐標，然后通過建模軟件構造立體模型;也可以采用三維設計軟件，如3Dmax，Multigen，Microstation等軟件。將設計好的三維實體導入并定位于地形景觀模型中。

3.2.2 地面紋理影像的生成

地面紋理影像可以根據(jù)生成的有真實地理坐標的正射影像獲取地面紋理特征，并與數(shù)字高程模型匹配，形成真實的景觀模型。

3.2.3 建筑紋理的采集與處理

建筑物紋理是建筑物模型的重要組成部分，建筑物紋理數(shù)據(jù)主要是通過實地拍攝的相片獲取的，它的質量決定了場景的整體效果與紋理細節(jié)，并最終決定場景的逼真程度。

3.2.3.1 建筑側面紋理的采集與處理

紋理數(shù)據(jù)通過實地拍攝相片獲取，主要涉及地物側面紋理的采集。為了保證紋理數(shù)據(jù)的質量，在拍攝地物側面紋理的過程中需要注意日照條件、拍攝的角度等因素的影響。

紋理影像映射也是至關重要的一個環(huán)節(jié)。在進行各種類型三維地物的面與紋理影像映射過程中，只有確保紋理數(shù)據(jù)與面映射的正確性，才能真實地模擬現(xiàn)實建筑物，真正地做到虛擬現(xiàn)實。建筑物側面紋理見圖2。

3.2.3.2 建筑的頂面紋理的采集與處理

建筑模型的頂面紋理可從原始分辨率的正射影像中采集建筑物頂部的紋理數(shù)據(jù)。從正射影像中剪取建筑物頂部的紋理數(shù)據(jù)可以減少相當程度的野外工作量，降低工作難度，同時也保證了紋理的質量。

3.2.4 特殊地物的建模與紋理

使用數(shù)字攝影測量的方法雖然可以快速地建立城市中大部分建筑物的三維模型，但是對于一些邊界模糊或者由于遮擋等因素而無法建立模型的特殊地物，如:樹木、街道、花壇、雕塑等，只能根據(jù)原始相片和野外調(diào)繪記錄，采用其他通用的建模軟件如3DMAX等來建立其模型。特殊地物紋理見圖3。

圖2 建筑物側面紋理示意圖

圖3 特殊地物紋理圖

對于在虛擬城市三維景觀模型中必須表達的這些特殊地物，盡管采用數(shù)字正射影像可以得到其真實紋理，也可以反映其真實面貌，但城市三維景觀模型的表現(xiàn)在注重真實的同時，也應當表現(xiàn)出城市之美。例如城市街道的地面，如果采用數(shù)字正射影像的真實紋理，贓物和損毀的地面都會被攝進去，在模型中表現(xiàn)出來的地面就很不美觀;為了消除這些影響，一般需要對地面紋理進行修飾，在控制其空間尺度等特性和把握其真實性的前提下，人為黏貼“美觀”的地面紋理。

4 結論

城市建模是數(shù)字城市的基礎，高效率的獲取方法是城市空間數(shù)據(jù)更新的有利保證，完善、健全的空間數(shù)據(jù)庫是城市空間數(shù)據(jù)共享的基礎，靈活的操作性也是城市基礎數(shù)據(jù)獲取方法所追尋的目標。面對復雜的城市建筑如何應付自如是獲取方法研究的焦點。

［1］ 張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2002.

［2］ 羅云啟，曾琨，羅毅.數(shù)字化地理信息系統(tǒng)建設［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［3］ 孫柳，宮輝力，趙文吉.從數(shù)字攝影測量到城市三維景觀模型的建立［J］.首都師范大學學報，2005.

P208

A

1007－7596(2011)05－0021－02

2011－03－16

杜寶鑫(1983－)，男，山東煙臺人，助理工程師;李恩重(1984－)，男，黑龍江寧安人，助理工程師。