城市三维空间数据的采集方法

8.3.2　城市三维空间数据的采集方法

目前，三维GIS在城市、矿山、地下管线等领域应用比较广泛。同二维GIS一样，数据采集是三维GIS工作量最大、成本最高的部分，是三维GIS能够很好运行的关键。下面介绍城市三维空间数据的采集。

三维城市模型包括许多事物，如建筑物、地形、水系、道路、植被等，但是需要进行三维数据采集的主要有两类：一是控制地面基本走势和起伏的地形。由于城市管理中较少需要深入到地下，所以在三维GIS中一般通过数字高程模型(DEM)来描述地形，提供给用户地面高程信息。另一个是建筑物，这是城市最重要的组成部分，也往往是人们最为关注的部分，人们希望用三维GIS管理至建筑物层次，能够对建筑物进行查询、分析，甚至希望能够看到建筑物内部空间组成。这两部分空间数据的采集方式也大不一样，如图8.6所示。道路、水系等地表地物依附在地形DEM上显示，如图8.7所示是一个简单的三维城市模型。

图8.6　三维GIS数据采集流程

图8.7　三维城市模型

1.三维地形数据获取

生成三维地形的DEM数据来源主要有三大类：一是影像。通过航空摄影测量获取的影像是高精度、大范围DEM生产最有价值的数据源。二是地形图。由于地形图包含了等高线、高程点等丰富的高程信息，它可以用作DEM的数据源。三是地面本身以及其他一些数据源。通过GPS、全站仪或经纬仪配合袖珍计算机在野外进行观测获取地面点数据，经适当变换处理后建成DEM，一般用于小范围详细比例尺的三维地形数据获取。前两种方法是大规模DEM采集最有效的方式。

根据不同的技术条件和不同的精度要求，具体数据采集的方法是不同的，表8.1是各种不同采集方法性能比较表。

表8.1　　　DEM的采集方法及各自特性比较一览表

不同的采集方式有不同的生产技术方案和流程，目前比较常用的有：

(1)全数字自动摄影方法

利用全数字摄影测量工作站，可快速获取DEM，如果与GPS自动空中三角测量系统集成，则可以形成从外业控制到内业加密和DEM生产高度自动化以及高效的作业流程，如图8.8(a)所示。

(2)交互式数字摄影测量方法

利用数字摄影测量工作站可以进行人机交互式的DEM采集，这种方法由于增加了人工干预和编辑功能，能够获得比较可靠、精度较好的DEM。

(3)解析摄影测量方法

采用解析测图仪或经过数字化改造的精密立体测图仪获取标准网点，或获取等高线和地形特征点线再内插，最后生成DEM。

(4)从地形图到DEM方法

对现有地形图进行数字化，对数字化后的等高线数据通过一定的处理(如粗差的剔除、高程点的内插、高程特征的生成等)便可产生最终的DEM数据，如图8.8(b)所示。

以上四种方法，解析摄影测量方法和扫描等高线内插得到的DEM精度最好，加测地形特征点线的交互式数字摄影测量方法比不加测地形特征点线的全数字自动摄影测量方法精度要高，效率最高的是全数字自动摄影测量方法。

以上方法获取的DEM数据集，还需要通过DEM表面建模来表示DEM。DEM表面建模也称为表面重建，指对地形表面进行表达的各种处理，通常是通过一个或多个数学函数表达。DEM建模后，模型上任一点的高程信息就可以从DEM表面获得。表面建模的方式有：

图8.8　不同数据源生成DEM的流程

(1)基于点的表面建模。使用多项式的零次项(即一常数)来建立DEM，每个数据点建立一水平平面。

(2)基于三角形的表面建模。使用多项式的前三项(两个一次项和一个零次项)来生成平面，决定这三项的系数需要三个点，构成一个平面三角形，从而此三角形决定了一倾斜的表面。

(3)基于格网的建模。使用多项式的前三项与a₃XY项，需要四个点确定一个表面，在实践中一般采用正方形格网来构筑DEM。

(4)混合表面的建模方式，使用多个数学函数来构筑DEM表面。

理论上还可采用多次函数通过曲面来表示DEM表面，但是计算量非常大，实践中应用很少。

2.三维建筑物数据获取

三维建筑物获取方法主要分为两大类：

(1)在三维设计(建模)软件里，如3DS、MicroStation，手工输入建筑模型，或在输入二维图形的建筑物多边形上加注建筑物高度。这种方式获取的建筑精度高，而且可以对建筑物内部结构进行设计，但是工作量非常大。

(2)在航空影像的基础上，通过一定的数学模型半自动化提取建筑物，这种方式充分利用航空摄影测量的成果，速度快，所以是一种比较有前景的方法，也是目前研究的一个热点。

3.表面纹理的恢复

为了使三维GIS能很好地描述空间地物，一般在空间实体表面粘贴影像图来增加真实感。影像的重要来源是航空影像。这种方式获取影像的速度快、成本低，但是不能包含城市景观中三维对象所有表面的全部纹理信息，所以必要时可辅助补充地面近景摄影影像。

建筑物屋顶和墙面在航空影像上可分为可见面和不可见面。前者可在航空影像上提取纹理，而后者则不能。对于先用灰色填充，或被其他高层建筑物所遮挡的不可见面，应通过多重影像复合来修复，但建筑物表面纹理往往具有相似性。例如，一般房屋的左右两侧墙面往往相同或相近，可将建筑物上可见面纹理块复制到不可见面上，顶点数相同，并按对应关系将各个纹理坐标给予指定。对于不能复制纹理块的不可见面或为了达到纹理高度逼真的目的，可补充地面近景摄影影像。计算机中的地面近景影像可以从普通相机摄得照片后扫描输入，或者直接用数字式相机摄得数字照片后输入，也可从摄像机摄得录像后通过视频转换得到。

地面近景影像由于近距离和大视角一般都存在着较大的透视投影效应，所以应作透视纠正。但地面近景影像没有内外方位元素及内定向参数，无法像航空影像一样使用共线方程，而应根据墙面各个端点与在数字近景影像窗口中所对应的二维扫描坐标之间的关系进行纠正。

建筑物屋顶和墙面可为任意多边形，可得到其所在平面上面积最小的外接矩形，将矩形的宽度和高度分别设为ωt和ht，均平分成2的幂次方份，份数分别作为纹理块宽度和高度的像元点数，每个小网格对应于纹理块的每个像元点，纹理块的宽度和高度具体大小以分别最接近其在地面近景影像上选定的多边形外接矩形宽度和高度为准。要提取多边形内每个小网格所对应纹理块每个像元点的灰度或RGB三色值，需要知道多边形所在平面上的外接矩形与在地面近景影像上纹理块的映射关系，可设为：

其中：μ、ν和x、y分别为纠正后的纹理块像元坐标及其在地面近景影像上对应的像元坐标。不失一般性，可令a₃₃=1，并且因存在着透视投影，a₁₃≠0、a₂₃≠0。式(8-1)将变成式(8-2)，即

式(8-2)有8个系数，需要4个控制点来求得。

按照几何重建中的墙面构成方式，一般地说，墙面为矩形正好是4个端点，可作为4个控制点，且在归一化相对值纹理坐标系中，4个端点的纹理坐标分别对应于地面的近景影。像上的像元坐标：(0.0，0.0)→(x₀，y₀)，(1.0，0.0)→(x₁，y₁)，(1.0，1.0)→(x₂，y₂)，(0.0，1.0)→(x₃，y₃)，从而解得8个系数。

a₁₁=x₁－x₀+a₁₃x₁，a₂₁=x₃－x₀+a₂₃x₃，a₃₁=x₀，a₁₂=y₁－y₀+a₁₃y₁，

a₂₂=y₃－y₀+a₂₃y₃，a₃₂=y₀

其中：Δx₁=x₁－x₂，Δx₂=x₃－x₂，Δx₃=x₀－x₂－x₃，Δy₁=y₁－y₂，Δy₂=x₃－y₂，Δy₃=y₀－y₂－y₃

输入纠正后的纹理块，每个像元坐标，用式(8-1)便可得到其在地面近景影像上对应的像元坐标。其二维坐标是实数，用四舍五入的方法，就可将在地面近景影像上对应最近的一个像元的灰度，或RGB三色值赋给纠正后纹理块的像元。

当建筑物具有人字形屋顶时，墙面是五边形以上的多边形。在数字近景影像窗口中，用鼠标点出墙面5个以上端点所对应的位置时，具有5个以上控制点来求得式(8-1)的8个系数，类似于遥感图像处理中的几何校正，这便成为解超定方程的问题。

系统的用户界面上，当鼠标在数字近景影像窗口中不断地修改墙面各个端点对应点中最近的一个点的位置时，三维可视化窗口中这个墙面的纹理也作相应调整，直到墙面各个端点在近景影像上对应的每一个点位置都准确时为止。