三維數字城市技術在城市規劃中的應用

冉磊，高磊，張宇琳，楊艷鋒

(昆明市測繪研究院，云南昆明 650051)

三維數字城市技術在城市規劃中的應用

冉磊?，高磊，張宇琳，楊艷鋒

(昆明市測繪研究院，云南昆明 650051)

從高效的三維數字城市的數據采集手段(機載激光雷達)入手，論述三維數字城市建立的路線、技術流程以及數據的處理過程，最后探討了數據的更新和維護以及三維數字城市技術在城市規劃中的應用。

三維；LIDAR；數字城市

1 機載激光雷達系統

機載激光雷達系統(LIDAR，Light Detection and Ranger)是一款高速度、高性能、長距離的航空測量設備，該系統由激光測高計、GPS定位裝置、慣性測量器和采集分辨率優于10 cm的高分辨率數碼照相機組成完美結合在一起進行同步測量，它獨有的特性可以在數據采集的同時進行在線波形數字化，大大提高了效率及精度，并且利用其極高的測量速度以及高速率的線性掃描線陣，可獲取極高的數據采集密度和均勻分布的地面覆蓋數據。

機載三維激光雷達測量系統技術是將三維激光掃描儀和航空攝像機裝載在飛機上，利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數據的技術。通過基于全球定位系統(GPS)和慣性測量裝置(IMU)的機載定位定向系統(POS)聯接，構成攝影測量與遙感領域最先進的LIDAR對地觀測系統。不但可以用于無地面控制點或僅有少量地面控制點地區的航空遙感定位和影像獲取，而且可實時得到地表大范圍內目標點的三維坐標，快速生產數字高程模型(DEM)、數字表面模型(DSM)和數字正射影像(DOM)等數據。航空三維激光掃描與攝影測量技術具有作業速度快，外業工作量小，測量精度高，測量數據量大等優點。

昆明市真三維景觀模型信息系統，采用世界上最先進的激光雷達系統LiteMapper5600和LMS－Z420i該系統由德國IGI公司與奧地利RIEGL公司聯合研制開發，是目前世界上性能最先進的激光雷達儀。

目前，真三維景觀模型信息系統已逐漸應用于城市規劃、舊城改造、市政工程設計、測繪、房地產開發、土木工程、旅游、交通管理、公安消防、醫療、反恐、工商、環保、網絡與多媒體、突發事件處理等諸多領域中。另外，隨著“數字地球”、“數字城市”等概念的提出，城市真三維地理信息系統建立顯得越來越為重要，它對未來區域的經濟、社會發展起到不可估量的推動作用。

圖1 工作飛機

2 實現過程

2.1 實施的主要思路

(1)先通過機載激光雷達和高分辨率的數碼相機對整個城市進行精確的掃描、影像獲取、坐標獲取，以精確確定系統中的任何對象的形狀、大小、坐標，再使用配套軟件進行逆向建模，渲染，虛擬現實。獲取的三維激光數據與影像數據在軟件中同時顯示，多視圖操作，進行實物線框勾畫，構造模型，附加材質進行模型渲染，進而生成三維場景。

(2)對于三維航空掃描的盲區，使用我院的地面三維激光掃描設備進行補測和建筑物側面紋理的采集等。

2.2 技術流程

從數據采集到三維城市建模的整個流程如圖2、圖3所示。

圖2 三維數字城市數據處理流程1

圖3 三維數字城市數據處理流程2

2.3 成果數據

(1)激光點云數據，Las格式；

(2)正攝數碼航空像片，Tiff格式，分辨率9 cm；

(3)斜拍數碼航空像片，Tiff格式；

(4)地物模型3ds格式。

3 數據處理及應用

3.1 數據處理

激光點云數據與正攝數碼航空像片以及斜拍數碼航空像片在Microstation中進行三維線框模型的建立，然后在LidarStudio中根據斜片半自動化的進行地面構筑物紋理貼圖，導出為3ds格式。激光點云數據經過去噪處理，剔除植被等工作后可以用ArcGIS或者其他軟件可生成高精度的dsm、dem數據。

圖4 LidarStudio紋理貼圖

圖5 激光點云的數據分層

圖6 dsm

3.2 應用

數據經過處理后，再結合其他地理信息數據集成到Skyline中，實現對整個城市的三維重現，可在諸多領域展開應用。

特別在城市建設、城市規劃領域，三維場景給人以最為直觀的感受，規劃區數字三維分析系統可以集成大量的基礎數據和專題數據，采用多種信息技術集成，再現了現實城市又超越現實城市，具備虛擬化和智能化的雙重特征，為城市規劃工作者提供了非常方便的分析研究平臺。

一方面，研究者可以直接利用系統中大量的數據信息進行科學分析，從而免去了繁重的資料收集、數據調查工作；再者，通過虛擬現實及三維可視化技術進行分析計算并將得到的數據可視化處理，將分析結果以形象的圖形表達出來，使得分析結果更容易讓人(尤其是非本專業人士)所理解，還可以通過交互地改變參數實時觀察到結果的變化，極大地豐富和提高了分析的手段及效果，如圖7～圖10所示。

圖7 數字城管

圖8 南亞之門方案比選

圖9 建筑物管理

圖10 公共安全、突發事件

4 數據的更新，系統維護

通過機載激光雷達方式一次性獲取高精度、大范圍的數據之后，形成城市現狀面貌，隨著正式的建設發展，地物地貌也會隨之改變，但在短時間內不會改變很大，從經濟的角度考慮不可能再用機載激光雷達方式進行局部的數據更新，這就需要采用地面三維激光掃描或者傳統測量的手段。

圖11展現了萊卡Scanstaion2采集的建筑物空間數據和影像數據(外置相機系統)的狀況，后期經軟件處理制作出模型并貼上紋理，加載到Skyline，實現局部建筑物的更新，同時被替換掉的建筑則備份到數據庫中。

圖11 地面三維激光掃描儀

5 總 結

隨著科技技術的進步，三維地理信息系統平臺已經解決了數據接入、海量影像數據存儲與調用、實時動態讀取數據庫矢量數據、承載海量模型發布、基于互聯網及內網的網絡發布功能。三維地理信息系統逐步具有工程應用的能力。作為最新、最強、最直觀的表現地理信息的方式必將取代現有的二維地理信息系統，成為地理信息的主流平臺。

城市規劃作為三維數字技術需求最為迫切的領域之一，三維數字技術可以廣泛應用在城市規劃的各個方面，并帶來切實的效益。規劃管理者可借助虛擬現實技術，將規劃設計置入虛擬的三維規劃場景中，可以提高空間分析能力和準確性，使城市規劃方案審批更直觀、更具科學性和及時性。

[1]冉磊，侯至群.LiteMapper 5600機載激光雷達測量系統及其在數字城市建模中的應用.云南省測繪學會論文集. 2006

[2]高磊，冉磊，胡志法，李濱.三維激光掃描技術在西南地區的應用.測繪通報，2009(5)

The Application of Three－Dimensional Digital City in the Urban Planning

Ran Lei，Gao Lei，Zhang YuLin，Yang YanFeng
(Kunming Surveying and Mapping Institute，Kunming 650051，China)

In this paper，by alalyzing the efficient data collection methods(airborne laser radar)for three－dimensional digital city，we discuss main mehtods、technical processes and data processing.In the end，we discuss the data updating and maintenance，as well as the application of three－dimensional digital city in Urban Planning.

ScanStationⅡ Components；Technical parameters；Heritage Protection；heritage surveying

1672－8262(2010)02－99－03

P237

B

2009—09—09

冉磊(1979—)，男，助理工程師，主要從事GIS和三維數字城市等方面的應用研究工作。