基于DSM和TDOM的城市三维模型构建

◎ 江苏省基础地理信息中心 虞泰泉 沈泉飞

【关键字】 城市三维模型DSM TDOM 像素工厂

1 引言

现阶段的大规模数字城市三维建模过程中，建筑物模型基本上是基于矢量图形将其通过建筑物的层高进行赋值拉伸得到，其高程信息不够精确；同时在使用数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)进行地表建模时，由于DOM上建筑物存在投影差，建筑物模型不能够与影像完全重叠。如何解决这些问题，快速建立更加精确的数字城市三维模型成为一个十分重要的课题。在“数字泰州”非精细三维城市建模专项任务中，我们通过“像素工厂”（Pixel Factory，PF）生产的数字表面模型（DSM）和真正射影像（TDOM），可以较好地解决这些问题。

2 DSM和TDOM获取

DSM是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型；而DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息。DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程模型，信息更加丰富，更能真实反映地表地物的高程信息。在一些对地物高度有特别精度需求的领域，DSM可以得到充分的利用，具有很强的技术优势。基于DSM构建的三维模型如图1所示。

图1

TDOM是利用DSM，采用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，使影像上每一点都被纠正为垂直视角而形成的影像图。尤其在繁华的城市地区，TDOM像通过高精度DSM纠正消除了所有视差，建立了完全垂直视角的地表景观，建筑物保持垂直视角，因此在真正射影像上，只显示了建筑物的顶部，不显示侧面，避免了高大建筑物对其它地表信息的遮挡，其所包含的信息更全面、更丰富。因此，TDOM在城市空间信息领域中应用前景非常广阔。TDOM真正射影像如图2所示。

图2

“像素工厂”是一套大型的遥感影像处理系统，系统基于集群处理技术，具有若干计算能力强大的计算节点，输入数码影像、卫星影像或者传统光学扫描影像，能够自动实现影像匹配、地物过滤、影像拼接、整体匀色和分幅输出，在少量人工干预的条件下，经过一系列的自动化处理，生成数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DOM)和真正射影像(True DOM)等。高精度的DSM和TDOM，对于航摄影像的航向重叠度和旁向重叠度要求分别至少达到68%和75%，原则上要求基高比（B/H）小于0.3。另外，还要保证在航向和旁向分别至少有3度重叠，符合这些条件才能够生产出符合质量要求的真正射影像。

3 模型构建基本流程

基于数字表面模型构建城市三维模型具有很大的优势，首先数字表面模型包含地表每一点的高程信息，直接将数字表面模型以高程为基准进行拉伸，即可以得到城市的三维高程显示效果（图1）。像素工厂可以输出ascii和tif格式的数字表面模型，并且可以很容易转换为其他格式，也可以构建TIN模型。利用DSM数据，经过数字微分纠正处理，生成TDOM数据。采用三维软件（例如ArcScene），将TDOM与DSM进行叠加，可以看到所有建筑物、高架桥、树木等地物的顶部影像能够和DSM完美叠加，从而可以快速获得包括地表景观和建筑物顶部影像信息的三维模型。如图3所示。

虽然DSM与TDOM叠加可以快速获得城市三维模型，但是在实际应用中，由于DSM的精度越高其数据量越大，在软件调用数据和快速浏览时势必造成不利的影响，最好的解决办法是利用已有的DLG数据或者根据TDOM构建筑物基本轮廓，在DSM上获取建筑物的准确高程，从而生成建筑物的几何模型。具体办法是，首先将DLG数据投影到DSM上，通过高程内插方式获得建筑物矢量上各角点的高程，然后按照同一房顶高程相同的几何约束，利用最小二乘原理得到建筑物顶面的最优高程。 其次对DSM进行滤波处理，得到建模区域的DEM数据，同理将DLG投影到DEM上得到建筑物矢量所对应的地面高程，将二者相减从而获得房屋准确高度。将建筑物矢量数据基于所获取的高度信息进行垂直拉伸即可以得到建筑物的几何模型。

图3

图4

图5

三维模型构建的基本流程如图4所示。

建筑物三维模型除了需要构建其空间几何关系外，还需要其相应的纹理才能在计算机中真实地表达出实际三维物体。在目前以手工为主的三维建模过程中，贴纹理是一项非常费时费力的工序。TDOM中由于建筑物都已经被纠正为垂直投影，建筑物的顶面可以直接在TDOM中提取，投影到建筑物的顶面几何模型上，节约了纹理处理的时间。

建筑物的侧面纹理一般不能从影像数据中获得，通常需要实地拍摄获取。粘贴侧面纹理之后的建筑物模型如图5所示。

4 结论

在“数字城市”建设中，利用DSM、TDOM快速建立城市三维模型具有很大的优势和发展前景，但DSM、TDOM的获取是摄影测量与遥感领域的前沿课题，其大规模应用还处于起步阶段，随着科学研究与技术的发展，其应用必将广泛。