利用立體像對建立城市三維景觀

田永明，王鴻，武豐雷

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

利用立體像對建立城市三維景觀

田永明?，王鴻，武豐雷

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

三維城市模型在數字城市建設中有著重大的作用，并在各個領域得到了廣泛的應用，本文以適普公司的攝影測量工作站為基礎介紹了快速制作大面積城市三維模型的方法。

三維城市模型；立體像對；Imagis

1 引 言

在城市空間數據可視化表達中，二維數據的可視化表達已經解決，剩下的屬于藝術加工問題，而三維城市的建設目前還面臨幾個問題。一是海量的城市三維數據的建設時間及成本，二是數據更新，三是數據在城市規劃等城市建設領域應用的數據準確性。

利用立體像對建模的方法制作三維景觀簡單模型，應用于城市三維管理系統是一種新的方法、新的應用，與虛擬現實的其他建模方法相比較有速度快、成本低、更新快、精度高等優點，適用于大面積城市三維景觀模型中簡單模型的建立，利用該方法濟南市勘察測繪研究院制作了濟南市重點道路經十路沿線 15 km2的低層建筑的三維景觀簡單模型。

2 主要工藝流程

在適普攝影測量工作站、Imagis MagiXity、3ds MAX中制作三維景觀簡單模型的主要工藝流程，如圖1所示。

圖1 制作三維景觀簡單模型的工藝流程圖

2.1 空三加密

本次區域網像片控制點的布設，完全按規范采用平高控制點的區域網布點方案，由于是采用DMC數字航攝儀，直接獲取了數字影像，只需要做一下數據格式變換，由所得的輻射分辨率12bit的數據批量轉換為16bit數據，再批量轉換為8bit數據，即可為空三加密軟件VirtuoZo AAT讀取。空三加密中依次進行內定向、相對定向、航帶偏移、自動轉點、自動挑點、絕對定向、平差計算即完成加密工作。

2.2 DEM(數字高程模型)獲取

數字高程模型是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型如圖2所示，是一定區域范圍內規則格網點和地形特征點、線的平面坐標及高程的數據集。該數據集從數學上描述了該區域地貌形態的空間分布。數字高程模型是建立數字城市的基礎信息之一，是賴以構建城市三維景觀和進行各種工程設計的基礎信息。

圖2 DEM渲暈圖

獲取DEM的方法很多，有來自機載激光掃描儀、Insar技術、野外測量、攝影測量以及基于數字化等高線和高程點信息創建DEM等。本文使用的DEM是采用攝影測量的方法獲得，利用點、線、面等方式對自動匹配結果進行立體編輯，對于一些特殊地形的數據，如山脊、溝谷、黑影遮蓋區、大片居民區或水域等地區的影像，進行匹配預處理，在模型中加測特征點、特征線和特征面輔助系統進行自動匹配，從而獲得更好的匹配結果。采集時按照具體情況對參數進行適當設置，組合使用各種平滑算法、擬和算法以及內插等對匹配不好的點進行編輯，以獲得高精度的DEM成果。

濟南市高精度DEM數據，10 m×10 m格網間距，已經多次應用于規劃工作中，充分利用DEM已有資料，為這次生產節約了寶貴時間。

2.3 數字化測圖

在VirtuoZo的IGS數字化測圖模塊中測繪3層及3層以上10層以下的房屋建筑輪廓如圖3、圖4所示，在符號表中選擇一般房屋(符號—2110)對房屋建筑進行測繪，同一房屋建筑則根據高程的不同分別進行采集。采集過程中對重合的端點嚴格捕捉，異型屋頂不可簡略，以能滿足建立起與實際房屋形狀結構相同的模型。由于像片控制點是采用GPS－RTK獲得，測圖時平面和高程精度完全滿足規范要求。

圖3 大面積測圖

圖4 數字地物量測

2.4 建立模型

Imagis三維可視地理信息系統是以數字正射影像(DOM)、數字地面模型(DEM)、數字線劃圖(DLG)和數字柵格圖(DRG)作為處理對象的GIS系統，它分為四部分:三維可視地理信息系統(Imagis Classic)，基于專業測量技術的城市建模和可視化系統(Imagis MagiXity)，影像快速漫游系統(Imagis 3DBrowser)及三維場景數據網絡發布系統(Imagis Web3D)。

3層及3層以上10層以下建筑模型的建立是在Imagis MagiXity中自動化完成。設置好DEM、原始航片、測圖文件的路徑后，模型根據DEM、測圖文件具有的屬性值自動建立起來，并自動提取原始航片上房屋建筑的部分紋理，頂部紋理完全提取，部分側面紋理被拉伸提取，模型建立后效果如圖5。人工對側面紋理進行編輯，通過1∶2 000或1∶500數字線劃圖(DLG)獲取房屋建筑的層數信息，選擇側面較好的紋理以及實地拍攝數碼照片獲取的建筑物紋理作為材質，用Photoshop對材質進行色彩、亮度、大小等方面的處理，利用處理后的材質對自動提取的側面紋理效果差的房屋建筑進行紋理貼圖，編輯后導出3ds模型文件。

10層以上建筑進行精細建模，精細建模是在AutoCAD中提取建筑物的輪廓線，在3ds MAX中根據樓高、樓寬、樓長、影像、照片做出主體結構，再用編輯多邊形等手段細化結構，紋理則用采集的照片修出。面數多數在2 500以內。

圖5 10層以下模型建立效果圖

圖6 導入3ds Max中

2.5 導出三維建筑模型

在Imagis中將每個像對中的房屋建筑模型按照AutoDesk 3ds文件輸出為一個3ds文件，在這個3ds中所有的房屋建筑作為一個模型存在。利用3ds MAX讀入上述3ds文件后如圖6所示，利用Export Selected將每個房屋建筑模型單獨作為一個3ds文件導出，完成后將所有模型導入到三維場景中進行整合。

3 技術優勢

利用立體像對建立大范圍城市三維景觀，這項技術是對城市三維地理信息數據生產的一次新的提高。具有以下優勢:

(1)大批量:大面積、大批量像對采集。利用立體像對，可在短期內建立大范圍城市三維虛擬景觀，與傳統方式相比較，實現了建立高精度城市整體三維景觀的可能性。

(2)建模效率高:利用立體像對的建模技術，快速采集建筑物的矢量輪廓，自動提取建筑物影像紋理。基于全數字攝影測量工作站采集，自動正射影像紋理信息匹配，建立城市三維景觀的速度是傳統建模方式3ds MAX建模的3倍。

(3)經濟效益大:傳統建模方式3ds MAX建立城市三維模型，建模速度比較慢，工作量大，需要很大的成本費用。而利用立體像對建模，無需人工采集素材，快速的建立模型的方式，大大節約了成本。實現短期內建立城市三維景觀，數據與地理信息相結合，將在城市規劃、工程勘察、災害預測與防治、資源調查與環境保護等領域起著非常重要的作用。

(4)更新快:隨著航飛、衛星遙感技術的提高，隨著城市監測技術需要，無論是航片還是衛片都會在一定時間內更新，而利用立體像對生產三維模型，也會隨著新的數據，實現城市三維模型的更新。

(5)數據精度高:空三加密所使用的像控點，采用當前GPS RTK方法進行的測量，保證了快速獲取高精度的像控數據。基于全數字攝影測量立體采集的建筑物輪廓線，精度達到測繪產品要求，遠遠高于其他方式建模產品。

4 心得體會

通過這次利用DMC制作三維景觀模型有如下的體會:

(1)為了保證模型紋理清晰、色彩鮮明、色調統一，在數據準備階段應該對DMC影像進行勻色處理，使整個區域影像亮度對比度適中、色調均勻；

(2)在IGS模型采集過程中，每個XYZ文件內模型數不宜過多，否則將導致模型導入失敗；在處理模型紋理時應當盡量多的選取不同的清晰的立面紋理，這樣可以減少建筑物紋理的重復；

(3)在3ds MAX中導出三維模型文件時，為了防止模型編號重復，編號應按照“作業員編號＋建筑層數＋序號”的方法編制，如:021035表示“2號作業員＋10層建筑＋第35個”。

5 結 論

由于城市發展迅速，城市規劃行業進行航空拍攝的頻次較高，而且城市勘測單位擁有規模較大、經驗豐富的數字攝影測量生產隊伍，因此通過立體像對進行城市三維建模將會越來越普遍。

[1]適普軟件有限公司.VirtuoZo全數字攝影測量工作站使用手冊.

[2]楊娜，王鴻，梁坤.三維城市模型在“數字泉城”中的實現和應用.城市勘測，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，助理工程師，主要從事攝影測量與遙感、工程測量等相關工作。