基于數(shù)字攝影測量的三維模型建立方法探討與研究

梅永達，石國印

（天津市建筑設計院巖土工程中心測繪所，天津 300074）

1 前言

數(shù)字城市(Digital City)源于數(shù)字地球的戰(zhàn)略構(gòu)想，是數(shù)字地球的核心部分。數(shù)字城市建設是城市信息建設的基礎(chǔ)設施，是城市規(guī)劃、管理必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依托，信息時代發(fā)展的必然產(chǎn)物。

在數(shù)字城市中，建筑物是最重要的部分，在數(shù)字城市中，建筑物的三維建模是非常重要的工作。隨著測繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感（RS）的應用研究日趨深入，使得各種豐富多樣的信息能夠以空間為基礎(chǔ)有機的結(jié)合起來，人們越來越多地要求從三維空間來處理問題，對于大中城市，特別是居民密集的區(qū)域，房屋的三維立體數(shù)椐采集工作量是非常大的。本文主要介紹基于數(shù)字攝影測量三維模型建立流程及相關(guān)規(guī)范。

2 攝影測量建立數(shù)學基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的攝影測量以航空攝影測量為主，主要是用于測繪地圖。但是由它獲取的影像，其信息遠比地圖豐富與直觀，因而近代發(fā)展了影像圖的生產(chǎn)與應用；同時攝影測量與地面測量不同，攝影測量能夠直接獲得房屋屋頂、樹林表面的三維坐標，從而為三維地圖——城市的三維幾何建模奠定了基礎(chǔ)。加之計算機與三維可視化技術(shù)的迅速發(fā)展，使得城市三維建模正在逐步成為現(xiàn)實。

從攝影測量與遙感的角度，城市建模從本質(zhì)而言應該分為幾何建模(geomet rical modeling)與紋理建模(texture map2ping)兩部分組成，它由：1）正射影像與DEM構(gòu)成三維地形表面；2）由房屋的幾何模型與紋理構(gòu)成三維建筑物；3）以及三維的植被（森林）與其它地物所組成。關(guān)鍵的是第一、二兩部分，根據(jù)要求、原始資料的不同，進行城市建模的方案也不相同。對地面的紋理要求不高的城市建模，正射影像可以采用衛(wèi)星圖像與DEM構(gòu)成；而高要求的應采用航空影像與DEM構(gòu)成。如果要對屋頂進行建模，就必須應用航空攝影的影像；若對屋頂?shù)娜S建模要求不高，房屋的幾何建模可以由數(shù)字線劃圖實現(xiàn)，房屋的高度一般根據(jù)樓層的數(shù)目進行估計。但是，無論是航空影像、還是衛(wèi)星影像均不能清晰地反應房屋的墻面紋理，當前解決墻面紋理的方法多是以地面人工拍攝的方法獲取。攝影測量方法建立三維模型的技術(shù)流程如下圖1：

圖1 數(shù)字城市建模整體設計方案

3 基于數(shù)字攝影測量方法的幾何建模

幾何建模包括數(shù)字地面模型DEM的建立與地物三維空間數(shù)據(jù)的提取。

3.1 DEM的建立

DEM可從航空立體影像對或高分解率衛(wèi)星立體影像對、采用影像匹配技術(shù)自動提取（有時也需要一些人工編輯）；也可以由LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)編輯直接提取；也可利用已有地圖掃描數(shù)字化的矢量化等高線、采用等高線保形的DEM內(nèi)插法生成。在數(shù)字城市中，基本上還是采用矩形格網(wǎng)或三角格網(wǎng)的DEM。

3.2 地物（主要是房屋）三維空間數(shù)據(jù)的獲取

利用攝影測量航空航天立體影像對的方法獲取地物的三維信息，目前主要是在數(shù)字攝影測量系統(tǒng)上以人工立體量測的三維測圖方式提取。若對屋頂?shù)娜S建模要求高，頂部紋理利用航空影像貼圖，高度采用攝影測量立體讀取的方法直接讀取，若對屋頂?shù)娜S建模要求不高，也可利用已有地圖掃描數(shù)字化的矢量數(shù)據(jù)（或者地面測量數(shù)據(jù)或者GIS中已有的矢量數(shù)據(jù)）。若獲取的矢量數(shù)據(jù)只是二維的，則房屋的高度可以根據(jù)樓層數(shù)推算。

4 攝影測量三維建模關(guān)鍵技術(shù)

圖2 航空影像進行城市建模的結(jié)果

圖3 矢量數(shù)據(jù)（無航空影像）建模的結(jié)果

三維測圖在城市三維建模中是最根本的環(huán)節(jié)，城市真實三維數(shù)字模型建筑物的三維空間坐標的精度完全取決于三維測圖的精度。三維測圖的內(nèi)容主要包括：建筑物的采集、植被的采集和墻體的采集。進行三維建筑模型的采集時，所采集的每一個建筑模型（包括分割的建筑模型）都要求由一筆畫成，為建立城市三維立體模型而進行的城市建筑物數(shù)據(jù)采集則不同于一般測圖的數(shù)據(jù)采集。

4.1 采集房屋高程信息

利用數(shù)字攝影測量工作站在立體環(huán)境下采集房屋高程信息，主要包括：高程信息和三維多段線，高程信息主要指采集房頂高程以及地面高程，用三維點表示，三維多段線主要采集房頂女兒墻、房檐邊線和各種房頂造型，三維數(shù)據(jù)采集完成后，先將采集結(jié)果轉(zhuǎn)為DWG格式與1∶500地形圖或1∶2000地形圖數(shù)據(jù)進行疊加對此，以查找漏測的信息，并進行及時補測，將采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分層管理。

4.2 整理房屋高程信息

將采集的三維數(shù)據(jù)成果，與對應1∶500圖地形中的房屋圖層在CAD軟件中進行疊加。將個各層中數(shù)據(jù)進行整理。數(shù)據(jù)整理之后保證圖中房屋圖層各閉合多段線內(nèi)有且僅有一對高程點，即房屋高程和地面高程。將整理好的數(shù)據(jù)計算生成boundary，并將計算結(jié)果轉(zhuǎn)入“二維多段線”層中，結(jié)合采集的高程點對，將二維多段線并轉(zhuǎn)為三維多段線

4.3 導入3Dmax制作房屋模型

將DWG文件中的房屋圖層導入3Dmax。在3Dmax中用腳本文件生成房屋樓體模型、女兒墻和屋頂造型，將同一個建筑的樓體模型和屋頂造型模型附加成為一個物體，然后結(jié)合航空影像和外業(yè)拍攝的照片給模型貼指定紋理材質(zhì)。

攝影測量方法建立三維模型過程效果如下圖4、圖5、圖6、圖7所示：

5 結(jié)論

圖4 真彩色航空正射影像

圖5 立體采集建筑物的三維矢量圖

圖6 正射影像圖與三維矢量疊加

數(shù)字城的建立是一個非常龐大的、復雜的、長期的系統(tǒng)工程，它需要多部門、多學科之間的長期的合作才能逐步實現(xiàn)的，我們應把它作為長期奮斗的目標。城市建模是數(shù)字城市的基礎(chǔ)，它無論在理論上、技術(shù)上均剛剛開始，不少關(guān)鍵問題與技術(shù)仍然沒有解決。其中城市建模的標準、規(guī)范將還沒有建立，這些都還有待逐步完善。

［1］邱茂林.三維都市模型在都市設計與景觀視覺模擬之應用探討

［2］張祖勛，張劍清.城市建模的途徑與關(guān)鍵技術(shù)［J］.世界科技研究與發(fā)展，2003(3)：24-29.

［3］孫柳，宮輝力，趙文吉.從數(shù)字攝影測量到城市三維景觀模型的建立［J］.首都師范大學學報，2005(6).

［4］肖樂斌，鐘耳順，劉紀元等.三維GIS的基本問題探討［J］.中國圖像圖形學報，2001(6).

［5］胡春，張鈞，田金文.城區(qū)三維景觀重建中的建筑物的提取［J］.華中科技大學學報，2004(7).

［6］楊必勝，李清泉，梅寶艷.三維城市模型的可視化研究［J］.［測繪學報，2000(2).

［7］程效軍，朱鯉，劉俊領(lǐng).基于數(shù)字攝影測量技術(shù)的三維建模［J］.同濟大學學報，2005(1).

［8］王鐵軍，張禹.一種三維建筑物模型的數(shù)據(jù)描述及采集方案［J］.測繪與空間地理信息，2006(6).