三維數(shù)字城市技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

冉磊，高磊，張宇琳，楊艷鋒

(昆明市測(cè)繪研究院，云南昆明 650051)

三維數(shù)字城市技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

冉磊?，高磊，張宇琳，楊艷鋒

(昆明市測(cè)繪研究院，云南昆明 650051)

從高效的三維數(shù)字城市的數(shù)據(jù)采集手段(機(jī)載激光雷達(dá))入手，論述三維數(shù)字城市建立的路線、技術(shù)流程以及數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，最后探討了數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)以及三維數(shù)字城市技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用。

三維；LIDAR；數(shù)字城市

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(LIDAR，Light Detection and Ranger)是一款高速度、高性能、長(zhǎng)距離的航空測(cè)量設(shè)備，該系統(tǒng)由激光測(cè)高計(jì)、GPS定位裝置、慣性測(cè)量器和采集分辨率優(yōu)于10 cm的高分辨率數(shù)碼照相機(jī)組成完美結(jié)合在一起進(jìn)行同步測(cè)量，它獨(dú)有的特性可以在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行在線波形數(shù)字化，大大提高了效率及精度，并且利用其極高的測(cè)量速度以及高速率的線性掃描線陣，可獲取極高的數(shù)據(jù)采集密度和均勻分布的地面覆蓋數(shù)據(jù)。

機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)是將三維激光掃描儀和航空攝像機(jī)裝載在飛機(jī)上，利用激光測(cè)距原理和航空攝影測(cè)量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。通過(guò)基于全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測(cè)量裝置(IMU)的機(jī)載定位定向系統(tǒng)(POS)聯(lián)接，構(gòu)成攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域最先進(jìn)的LIDAR對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。不但可以用于無(wú)地面控制點(diǎn)或僅有少量地面控制點(diǎn)地區(qū)的航空遙感定位和影像獲取，而且可實(shí)時(shí)得到地表大范圍內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，快速生產(chǎn)數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)等數(shù)據(jù)。航空三維激光掃描與攝影測(cè)量技術(shù)具有作業(yè)速度快，外業(yè)工作量小，測(cè)量精度高，測(cè)量數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)。

昆明市真三維景觀模型信息系統(tǒng)，采用世界上最先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)LiteMapper5600和LMS－Z420i該系統(tǒng)由德國(guó)IGI公司與奧地利RIEGL公司聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)，是目前世界上性能最先進(jìn)的激光雷達(dá)儀。

目前，真三維景觀模型信息系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用于城市規(guī)劃、舊城改造、市政工程設(shè)計(jì)、測(cè)繪、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、土木工程、旅游、交通管理、公安消防、醫(yī)療、反恐、工商、環(huán)保、網(wǎng)絡(luò)與多媒體、突發(fā)事件處理等諸多領(lǐng)域中。另外，隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等概念的提出，城市真三維地理信息系統(tǒng)建立顯得越來(lái)越為重要，它對(duì)未來(lái)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展起到不可估量的推動(dòng)作用。

圖1 工作飛機(jī)

2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 實(shí)施的主要思路

(1)先通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)和高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行精確的掃描、影像獲取、坐標(biāo)獲取，以精確確定系統(tǒng)中的任何對(duì)象的形狀、大小、坐標(biāo)，再使用配套軟件進(jìn)行逆向建模，渲染，虛擬現(xiàn)實(shí)。獲取的三維激光數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)在軟件中同時(shí)顯示，多視圖操作，進(jìn)行實(shí)物線框勾畫，構(gòu)造模型，附加材質(zhì)進(jìn)行模型渲染，進(jìn)而生成三維場(chǎng)景。

(2)對(duì)于三維航空掃描的盲區(qū)，使用我院的地面三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和建筑物側(cè)面紋理的采集等。

2.2 技術(shù)流程

從數(shù)據(jù)采集到三維城市建模的整個(gè)流程如圖2、圖3所示。

圖2 三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)處理流程1

圖3 三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)處理流程2

2.3 成果數(shù)據(jù)

(1)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，Las格式；

(2)正攝數(shù)碼航空像片，Tiff格式，分辨率9 cm；

(3)斜拍數(shù)碼航空像片，Tiff格式；

(4)地物模型3ds格式。

3 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與正攝數(shù)碼航空像片以及斜拍數(shù)碼航空像片在Microstation中進(jìn)行三維線框模型的建立，然后在LidarStudio中根據(jù)斜片半自動(dòng)化的進(jìn)行地面構(gòu)筑物紋理貼圖，導(dǎo)出為3ds格式。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(shù)據(jù)。

圖4 LidarStudio紋理貼圖

圖5 激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)分層

圖6 dsm

3.2 應(yīng)用

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，再結(jié)合其他地理信息數(shù)據(jù)集成到Skyline中，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)城市的三維重現(xiàn)，可在諸多領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用。

特別在城市建設(shè)、城市規(guī)劃領(lǐng)域，三維場(chǎng)景給人以最為直觀的感受，規(guī)劃區(qū)數(shù)字三維分析系統(tǒng)可以集成大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)，采用多種信息技術(shù)集成，再現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)城市又超越現(xiàn)實(shí)城市，具備虛擬化和智能化的雙重特征，為城市規(guī)劃工作者提供了非常方便的分析研究平臺(tái)。

一方面，研究者可以直接利用系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)分析，從而免去了繁重的資料收集、數(shù)據(jù)調(diào)查工作；再者，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)及三維可視化技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算并將得到的數(shù)據(jù)可視化處理，將分析結(jié)果以形象的圖形表達(dá)出來(lái)，使得分析結(jié)果更容易讓人(尤其是非本專業(yè)人士)所理解，還可以通過(guò)交互地改變參數(shù)實(shí)時(shí)觀察到結(jié)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(shù)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(fā)事件

4 數(shù)據(jù)的更新，系統(tǒng)維護(hù)

通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)方式一次性獲取高精度、大范圍的數(shù)據(jù)之后，形成城市現(xiàn)狀面貌，隨著正式的建設(shè)發(fā)展，地物地貌也會(huì)隨之改變，但在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變很大，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮不可能再用機(jī)載激光雷達(dá)方式進(jìn)行局部的數(shù)據(jù)更新，這就需要采用地面三維激光掃描或者傳統(tǒng)測(cè)量的手段。

圖11展現(xiàn)了萊卡Scanstaion2采集的建筑物空間數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)(外置相機(jī)系統(tǒng))的狀況，后期經(jīng)軟件處理制作出模型并貼上紋理，加載到Skyline，實(shí)現(xiàn)局部建筑物的更新，同時(shí)被替換掉的建筑則備份到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖11 地面三維激光掃描儀

5 總 結(jié)

隨著科技技術(shù)的進(jìn)步，三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)解決了數(shù)據(jù)接入、海量影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)矢量數(shù)據(jù)、承載海量模型發(fā)布、基于互聯(lián)網(wǎng)及內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能。三維地理信息系統(tǒng)逐步具有工程應(yīng)用的能力。作為最新、最強(qiáng)、最直觀的表現(xiàn)地理信息的方式必將取代現(xiàn)有的二維地理信息系統(tǒng)，成為地理信息的主流平臺(tái)。

城市規(guī)劃作為三維數(shù)字技術(shù)需求最為迫切的領(lǐng)域之一，三維數(shù)字技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃的各個(gè)方面，并帶來(lái)切實(shí)的效益。規(guī)劃管理者可借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將規(guī)劃設(shè)計(jì)置入虛擬的三維規(guī)劃場(chǎng)景中，可以提高空間分析能力和準(zhǔn)確性，使城市規(guī)劃方案審批更直觀、更具科學(xué)性和及時(shí)性。

[1]冉磊，侯至群.LiteMapper 5600機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)及其在數(shù)字城市建模中的應(yīng)用.云南省測(cè)繪學(xué)會(huì)論文集. 2006

[2]高磊，冉磊，胡志法，李濱.三維激光掃描技術(shù)在西南地區(qū)的應(yīng)用.測(cè)繪通報(bào)，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(shù)字城市等方面的應(yīng)用研究工作。