利用立体像对建立城市三维景观

田永明，王鸿，武丰雷

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013)

利用立体像对建立城市三维景观

田永明∗，王鸿，武丰雷

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013)

三维城市模型在数字城市建设中有着重大的作用，并在各个领域得到了广泛的应用，本文以适普公司的摄影测量工作站为基础介绍了快速制作大面积城市三维模型的方法。

三维城市模型；立体像对；Imagis

1 引 言

在城市空间数据可视化表达中，二维数据的可视化表达已经解决，剩下的属于艺术加工问题，而三维城市的建设目前还面临几个问题。一是海量的城市三维数据的建设时间及成本，二是数据更新，三是数据在城市规划等城市建设领域应用的数据准确性。

利用立体像对建模的方法制作三维景观简单模型，应用于城市三维管理系统是一种新的方法、新的应用，与虚拟现实的其他建模方法相比较有速度快、成本低、更新快、精度高等优点，适用于大面积城市三维景观模型中简单模型的建立，利用该方法济南市勘察测绘研究院制作了济南市重点道路经十路沿线 15 km2的低层建筑的三维景观简单模型。

2 主要工艺流程

在适普摄影测量工作站、Imagis MagiXity、3ds MAX中制作三维景观简单模型的主要工艺流程，如图1所示。

图1 制作三维景观简单模型的工艺流程图

2.1 空三加密

本次区域网像片控制点的布设，完全按规范采用平高控制点的区域网布点方案，由于是采用DMC数字航摄仪，直接获取了数字影像，只需要做一下数据格式变换，由所得的辐射分辨率12bit的数据批量转换为16bit数据，再批量转换为8bit数据，即可为空三加密软件VirtuoZo AAT读取。空三加密中依次进行内定向、相对定向、航带偏移、自动转点、自动挑点、绝对定向、平差计算即完成加密工作。

2.2 DEM(数字高程模型)获取

数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型如图2所示，是一定区域范围内规则格网点和地形特征点、线的平面坐标及高程的数据集。该数据集从数学上描述了该区域地貌形态的空间分布。数字高程模型是建立数字城市的基础信息之一，是赖以构建城市三维景观和进行各种工程设计的基础信息。

图2 DEM渲晕图

获取DEM的方法很多，有来自机载激光扫描仪、Insar技术、野外测量、摄影测量以及基于数字化等高线和高程点信息创建DEM等。本文使用的DEM是采用摄影测量的方法获得，利用点、线、面等方式对自动匹配结果进行立体编辑，对于一些特殊地形的数据，如山脊、沟谷、黑影遮盖区、大片居民区或水域等地区的影像，进行匹配预处理，在模型中加测特征点、特征线和特征面辅助系统进行自动匹配，从而获得更好的匹配结果。采集时按照具体情况对参数进行适当设置，组合使用各种平滑算法、拟和算法以及内插等对匹配不好的点进行编辑，以获得高精度的DEM成果。

济南市高精度DEM数据，10 m×10 m格网间距，已经多次应用于规划工作中，充分利用DEM已有资料，为这次生产节约了宝贵时间。

2.3 数字化测图

在VirtuoZo的IGS数字化测图模块中测绘3层及3层以上10层以下的房屋建筑轮廓如图3、图4所示，在符号表中选择一般房屋(符号—2110)对房屋建筑进行测绘，同一房屋建筑则根据高程的不同分别进行采集。采集过程中对重合的端点严格捕捉，异型屋顶不可简略，以能满足建立起与实际房屋形状结构相同的模型。由于像片控制点是采用GPS－RTK获得，测图时平面和高程精度完全满足规范要求。

图3 大面积测图

图4 数字地物量测

2.4 建立模型

Imagis三维可视地理信息系统是以数字正射影像(DOM)、数字地面模型(DEM)、数字线划图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为处理对象的GIS系统，它分为四部分:三维可视地理信息系统(Imagis Classic)，基于专业测量技术的城市建模和可视化系统(Imagis MagiXity)，影像快速漫游系统(Imagis 3DBrowser)及三维场景数据网络发布系统(Imagis Web3D)。

3层及3层以上10层以下建筑模型的建立是在Imagis MagiXity中自动化完成。设置好DEM、原始航片、测图文件的路径后，模型根据DEM、测图文件具有的属性值自动建立起来，并自动提取原始航片上房屋建筑的部分纹理，顶部纹理完全提取，部分侧面纹理被拉伸提取，模型建立后效果如图5。人工对侧面纹理进行编辑，通过1∶2 000或1∶500数字线划图(DLG)获取房屋建筑的层数信息，选择侧面较好的纹理以及实地拍摄数码照片获取的建筑物纹理作为材质，用Photoshop对材质进行色彩、亮度、大小等方面的处理，利用处理后的材质对自动提取的侧面纹理效果差的房屋建筑进行纹理贴图，编辑后导出3ds模型文件。

10层以上建筑进行精细建模，精细建模是在AutoCAD中提取建筑物的轮廓线，在3ds MAX中根据楼高、楼宽、楼长、影像、照片做出主体结构，再用编辑多边形等手段细化结构，纹理则用采集的照片修出。面数多数在2 500以内。

图5 10层以下模型建立效果图

图6 导入3ds Max中

2.5 导出三维建筑模型

在Imagis中将每个像对中的房屋建筑模型按照AutoDesk 3ds文件输出为一个3ds文件，在这个3ds中所有的房屋建筑作为一个模型存在。利用3ds MAX读入上述3ds文件后如图6所示，利用Export Selected将每个房屋建筑模型单独作为一个3ds文件导出，完成后将所有模型导入到三维场景中进行整合。

3 技术优势

利用立体像对建立大范围城市三维景观，这项技术是对城市三维地理信息数据生产的一次新的提高。具有以下优势:

(1)大批量:大面积、大批量像对采集。利用立体像对，可在短期内建立大范围城市三维虚拟景观，与传统方式相比较，实现了建立高精度城市整体三维景观的可能性。

(2)建模效率高:利用立体像对的建模技术，快速采集建筑物的矢量轮廓，自动提取建筑物影像纹理。基于全数字摄影测量工作站采集，自动正射影像纹理信息匹配，建立城市三维景观的速度是传统建模方式3ds MAX建模的3倍。

(3)经济效益大:传统建模方式3ds MAX建立城市三维模型，建模速度比较慢，工作量大，需要很大的成本费用。而利用立体像对建模，无需人工采集素材，快速的建立模型的方式，大大节约了成本。实现短期内建立城市三维景观，数据与地理信息相结合，将在城市规划、工程勘察、灾害预测与防治、资源调查与环境保护等领域起着非常重要的作用。

(4)更新快:随着航飞、卫星遥感技术的提高，随着城市监测技术需要，无论是航片还是卫片都会在一定时间内更新，而利用立体像对生产三维模型，也会随着新的数据，实现城市三维模型的更新。

(5)数据精度高:空三加密所使用的像控点，采用当前GPS RTK方法进行的测量，保证了快速获取高精度的像控数据。基于全数字摄影测量立体采集的建筑物轮廓线，精度达到测绘产品要求，远远高于其他方式建模产品。

4 心得体会

通过这次利用DMC制作三维景观模型有如下的体会:

(1)为了保证模型纹理清晰、色彩鲜明、色调统一，在数据准备阶段应该对DMC影像进行匀色处理，使整个区域影像亮度对比度适中、色调均匀；

(2)在IGS模型采集过程中，每个XYZ文件内模型数不宜过多，否则将导致模型导入失败；在处理模型纹理时应当尽量多的选取不同的清晰的立面纹理，这样可以减少建筑物纹理的重复；

(3)在3ds MAX中导出三维模型文件时，为了防止模型编号重复，编号应按照“作业员编号＋建筑层数＋序号”的方法编制，如:021035表示“2号作业员＋10层建筑＋第35个”。

5 结 论

由于城市发展迅速，城市规划行业进行航空拍摄的频次较高，而且城市勘测单位拥有规模较大、经验丰富的数字摄影测量生产队伍，因此通过立体像对进行城市三维建模将会越来越普遍。

[1]适普软件有限公司.VirtuoZo全数字摄影测量工作站使用手册.

[2]杨娜，王鸿，梁坤.三维城市模型在“数字泉城”中的实现和应用.城市勘测，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，助理工程师，主要从事摄影测量与遥感、工程测量等相关工作。