基于傾斜模型城市二三維集成管理研究

摘 要：傾斜攝影技術的發展對于真實多層次城市三維信息的快速獲取及加快城市現代化進程具有重要意義。本文通過研究基于傾斜模型的城市全要素二三維一體化集成管理技術，采用二維矢量管理三維場景的技術路線為三維城市管理提出有效的解決方案。

關鍵詞：傾斜攝影測量；單體化；3DML

城市實景三維模型是建設三維城市GIS重要核心內容，按照城市自然和人工要素統一坐標無縫拼接的可視化三維模型[ 1 ]。非接觸式測量技術極大豐富城市三維信息的獲取來源，但傳統非接觸式測量技術依然難以滿足數字城市三維建模要求。傾斜攝影測量技術突破傳統正射影像的局限，采用多視角相機鏡頭獲取多角度影像，通過全自動化后期處理軟件快速獲取城市實景三維模型。現如今發達國家將傾斜測量技術作為城市數據更新主要手段，應用于國土安全、城市管理、應急指揮等諸多領域[ 2 ]。

一、傾斜模型單體化

傾斜模型由于其全自動化建模機制具有整體性，本質上數字表面模型并投影真實紋理，城市要素無法單獨分離使用，因此需要對傾斜模型單體對象化并進一步組織管理。

（一）單體化方法對比

切割單體化是最嚴格意義上單體化，對傾斜模型根據地物范圍進行物理上切割，但切割單體化將破壞傾斜模型數據自帶LOD結構且切割邊緣具有嚴重鋸齒邊緣，在三維場景中極大影響三維渲染性能。單體化的目的是為解決傾斜模型的組織管理問題，動態單體化將二維矢量面數據套合在傾斜模型上，并賦予模型對應的屬性字段用于管理組織，保證原始數據結構情況下將二三維一體化管理。

（二）三維網格數據集3DML

3DML數據是通過Skyline CityBuilder充分利用傾斜模型自帶LOD結構，添加矢量分類圖層至模型上對其進行壓縮與流優化，加快客戶端加載速度減少內存消耗，有機融合3DMesh圖層、分類矢量圖層、屬性數據進行組織管理。

二、基于DSM建筑物輪廓提取

3DML數據有效實現二三維數據結合，用于單體化的分類矢量圖層需進行重新采集，采用人工繪制或現勢性較差的現有基礎數據勢必影響單體化結果。利用傾斜模型本身的DSM結構和等高線為閉合曲線的特點，結合ArcGIS組件工具從中提取閉合等高線并進行篩選，達到快速提取傾斜模型上建筑物輪廓效果。其主要步驟為：

1）DSM提取閉合等高線。從傾斜影像中快速獲取DSM高分辨率數據，在ArcGIS中使用Surface Contour工具，以單層樓層高度作為高差值生成閉合等高線；

2）等高線篩選。在提取的等高線中使用Caculate Geometry功能計算長度，設定閾值將過長或過短的等高線剔除，將高程值低于一個樓層高度的等高線進行剔除；

3）建筑物輪廓篩選。經過步驟2篩選的結果仍存在大量重復輪廓線，使用拓撲關系檢查重疊的多邊形，剔除重疊的面保留最外側的輪廓線；

4）輪廓線簡化。利用ArcEngine開發小程序將輪廓線上接近平行的線段進行節點簡化，簡化后的結構使用拓撲工具生成輪廓面矢量數據；

5）屬性關聯。將現有的城市基礎地圖數據通過Spatial Join工具將與輪廓面重疊的面要素提取屬性并賦予至輪廓面圖層上；

6）質量檢查。檢查輪廓面中存在的拓撲錯誤，屬性關聯錯誤等問題。

三、二三維集成管理技術

（一）全要素與二維矢量數據集成

本文使用工具為Skyline CityBuilder軟件，將城市傾斜模型通過添加分類圖層生成多細節層次優化的三維網格圖層數據庫。從傾斜模型中提取的建筑物輪廓作為分類矢量圖層，CityBuilder并非直接讀取OSGB文件，在加載傾斜模型前軟件將其進行轉換成對應金字塔結構的dea模型。CityBuilder通過讀取OSGB文件所在目錄，添加傾斜模型元數據xml文件，轉換為軟件可讀取格式。將從傾斜模型中基于DSM提取的建筑物輪廓矢量面作為分類圖層加載至場景中，觀察并設置其套合情況，最后生成的3DML可直接加載于三維場景中，并可對其分類后的模型進行點擊查詢統計等二維矢量操作。

（二）城市全要素分層分塊組織管理

城市二維矢量數據包含多分類多層次的數據，建筑物輪廓面是最底層的詳細數據，進行主要操作的為建筑物輪廓面圖層，因此需充分利用梳理各類矢量數據與分類圖層之間的邏輯關系達到二維數據管理三維場景效果。

城市所需管理的二維核心數據主要包括地理基礎數據、行政區劃基礎數據、交通路線數據、城建信息數據以及各部門所對應的眾多業務數據。依據行政區域編輯作為依據，結合城市分布點將劃分粒度劃分為三個級別：區縣、街道、街坊。區域劃分的編碼采用行政區劃統一編碼作為依據，對面狀圖層要素采用“城市區號+區縣代碼+街道編碼+街坊門牌號”的規則進行統一編碼。

將二維矢量數據劃分為三個級別，在數據入庫管理和加載至三維場景之前，使用拓撲關系檢查低級別圖層所取區域是否完全包含于高級別的圖層的面狀要素中。拓撲關系檢查完畢，使用ArcGIS工具中Spatial Join功能將高級別圖層的區域面要素屬性賦予低一級別圖層的要素中，使用這種邏輯管理方式可快速在三維場景中調用要素之間的從屬關系，將二三維數據作為有機的整體進行統一管理。

四、結語

二維矢量數據套合傾斜模型的方法實現城市實景模型的單體化，為二維管理三維場景集成管理提供解決方案。本文基于傾斜模型提出二維矢量數據管理三維場景的方法，打通二維與三維之間的障礙，提出從DSM中提取等高線的方法對傾斜模型進行輪廓線提取方法，并結合城市特點提出二三維集成管理技術。

傾斜攝影測量技術以大范圍、高精度全面感知復雜場景，系統具備高性能的協同并行處理能力，在新一代城市空間數據基礎設施建設中有著巨大的發展潛力[ 3 ]。以面向對象思想分層組織管理的傾斜模型將滿足不同領域用戶多元化的應用需求，更好得致力于智慧城市的建設。

參考文獻：

[1] 趙中元.大城市三維地理信息系統關鍵技術[D].2011，武漢大學.

[2] 薄正權，張宇.傾斜攝影在長春市城市建模中的應用[J].城市勘測，016（03）：93-96.

作者簡介：黃文誠（1992-），男，漢族，福建閩侯人，碩士，研究方向：地圖學與地理信息系統。