基于航測的數字城市三維建模技術

摘要：使用航空影像以及地面攝影對建筑物特征線進行自動提取。這種方法獲取速度最快，成熟的DEM數據及DOM數據生產技術路線能快速重建三維場景中的地形數據，同時在立體環境下，能快速準確獲取建筑物等三維模型數據的位置，形狀及高度信息，真實展現城市風貌。

關鍵詞：航測;數字城市;三維建模

引言：三維模型由于其在城市規劃、地籍管理、旅游、交通及環境仿真等領域顯示出了巨大的潛力，已成為眾多領域研究的熱點。三維模型是以三維的手法進行建模，模擬出一個三維的建筑場景效果。規劃者可以模擬在數字場景中任意游走馳騁、飛行縮放，達到一種惟妙惟肖、變化多姿的動態視覺效果。利用數碼航攝儀進行數字航空攝影，獲取以滿足大比例尺成圖要求的影像資料;以測區已有的控制點為依據、進行像片控制測量;空三加密獲取內業測圖所需要的方位元素和加密點坐標;數據采集按內業立體模型定位采集，應保證數據的完整性、正確性，不應斷缺、遺漏、移位。此類采集數據經過外業人員現場定性定位調繪，內業縮檐，房屋矯正及加注樓層信息和新增建筑物尺寸編輯等。獲得精確的三維DLG數據。

虛擬三維數字實際上就是三維景觀的可視化，它易于解譯，這是具有大地坐標的三維景觀，能確定對象間的空間關系，在事件發生前模擬或者預演，更易于決策，不需要到實地去就可以到真實的環境中瀏覽。基于航測的數字城市建模主要有兩類：一是基于機載攝影測量系統。它是通過立體像對來實現測區三維景觀的真實重現，其優點是可快速重建測區范圍內所有建筑三維模型、地形地貌三維景觀。二是基于近景攝影測量三維建模技術。該技術從三維信息獲取的速度、可靠性及靈活性上來說，能夠滿足絕大多數的實際需求。但是，其效果在很大程度上依賴于三維建模算法的設計，而且算法大都比較復雜，需要較多的計算資源。

在目前的虛擬三維現實系統中，三維建模基本都是采用DEM和DOM疊加獲得三維模型，主要是由于DEM和DOM獲取方法的不同而有所區別，對于大面積的區域，如果要求精度不高，我們可以采用衛星遙感影像和通過立體采集的DEM;而對于精度要求較高的區域，需采用攝影測量的方法獲取DEM和DOM，該方法生成的產品精度高，但成本也較高;隨著激光雷達技術（Lidar）和高分辨率衛星影像的出現，我們可以直接利用Lidar直接獲取DEM，該方法是一種新型的獲取三維模型的方法，它通過發射大量的激光束，得到模型表面的“點云”，再使用專門的軟件由“點云”生成三維模型，該方法簡單、測量速度快，且具有實時處理能力，在獲取DEM的同時，我們可以同步獲取影像圖，該方法是目前最快也是精度最高的獲取DEM和DOM的方法，但使用LIDAR的費用也是最高的，適合于對精度要求非常的項目的建模，主要還是城市等地物相對密集區，不適合采用常規方法進行測量。隨著高分辨率傳感器的出現，通過QuickBird、WorldView Ⅰ、WorldView Ⅱ等衛星獲取高分辨率的影像以及立體像對，也能滿足1：5000比例尺的要求。隨著測繪新技術和計算機技術的快速發展，建模方法也會越來越多，對不同的需求，應采用不同的建模方法。

一般通過地形測量和航空攝影測量分別獲取地物的各點、線、面的平面和高度空間坐標，再利用航測的立體像對采集地物的高度和頂部結構，結合實地采集紋理，采用建模平臺生產模型。一般量測實景三維精度一般在分米級，具有技術成熟、精度較高、成本較高、儀器設備可與常規測量工程共用等特點，是目前“數字城市”地理空間框架建設三維建模部分用得較多的方式.通過地形測量或大分辨率影像獲取地物的平面空間位置，通過樓層數結合推斷的層高估算建筑等地物高度，再根據實地采集的照片修改地物的細部結構和高度，形成位置、大小、高度相對正確的模型成果。分析應用展示三維的精度一般為米級，有技術要求不高，建模效率高，成本適中的特點，現多用在部分源數據缺乏，投入有限，主要用于展示、一般分析、搜索、定位的“數字城市”建設項目中，為政府和民眾提供較完整，較真實，能跑動，直觀的數據參考.找準不同城市的三維模型生產的精度定位，首先要根據開展三維模型建設城市的自身情況，從用處、用法、經費、數據基礎、后期升級幾方面進行調研和評估，再結合軟件、硬件、網絡等條件，完成精度的分析和定位，再根據精度定位制定數據標準和工作方案.

通過全數字航測工作站對三維實景立體模型進一步編輯，能夠得到每一景立體模型的衍生數字化成果產品：數字高程地表模型（DEM）、數字正攝影像（DOM）。航測人員將每一景立體模型的數字高程地表模型、數字正攝影像進行分幅拼接，獲得架空輸電線路全線的大場景數字高程地表模型、數字正攝影像圖數據。將二者配準、疊加，最終創建線路全線大場景立體實景模型。

基于全數字航測工作站的三維線路實景漫游平臺，將大場景立體模型于線路全線坐標數據進行疊合，產生三維實景架空線路漫游模型。在三維實景架空線路漫游模型中，線路上的各個鐵塔被建模，以實物的形象架設在大場景地理模型上。設計人員可以通過調整視線角度、視角高度等參數，360°地觀看每個鐵搭在三維實景環境中的真實架設情況。此外，三維線路實景漫游平臺提供線路實景漫游功能。通過設置漫游的飛行高度和相機視線角度，漫游平臺會自動按線路路徑逐塔位的漫游飛行，使線路設計人員對全線路的塔桿整體排位、架設情況進行一次可視化、近距離的實景觀看。三維實景漫游功能將線路設計成果由二維的平面圖紙變為了三維的實景觀看，使得設計成果更為直觀具體。設計人員結合三維漫游中的實景觀看情況，可以對線路的最終設計成果進行整體的感知。如遇到與設計初衷不一致的塔桿塔位，可以進行進一步的細部改線微調。

外業調繪對地形圖的精度和屬性有著最直接的關系，調繪人員持初編圖到實地按規范、圖示、技術設計書的要求，對圖上地物逐一定性，對攝影后新增地物進行補測，其中包括對電信及相關設施的調查，其設施的定位可采用GPS，定位或全站儀定位。另一部分包括對地名、小區名稱、單位名稱、道路名稱、河流名稱及流向、管線性質及輸送方向、境界歸屬、獨立地物、的判定、植被種類的區分等加以補調。房檐的改正時關系到整圖精度的一項硬指標，因采集時所測房屋的外輪廓，所以要求調繪人員對每一房屋的房檐都要到實地量測，確保地物的平面精度符合規范要求。利用立體采集的三維數據及外業調繪的資料，根據技術設計書要求進行標準地形圖的處理工作，包括對各個要素相對關系的處理，對外業調繪各項數據進行編輯處理，對各種屬性的參加，數據分層，線型編碼，線條接縫，數據接邊等項工作的處理，在整個地形圖編輯過程中。地物編輯時一項相當重要的一個環節，要處理好各地物間要素的點、面、線關系，面狀要素要封閉（如房屋、湖泊、水庫等），線狀要素要連續（如鐵路、河流），線狀要素要相交（如相同屬性或不同屬性），端點要嚴格相交到同一點，不能懸掛。

總結：基于航測的數字城市三維建模是以立體測量三維建模為主要工作內容，建模要求模型結構完整、平面和高程精度高、重點道路和市中心區域模型效果精美。最終建模成果可配置于三維地理信息平臺上，用于展示及輔助決策，未來成果的應用將延伸到地下管線、數字城管、規劃等，初步構建以三維仿真為技術基石，城市綜合管理為目標的數字虛擬城市。

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