城市三维建模技术介绍

时间：2022-10-14 百科知识版权反馈

【摘要】：城市三维模型要有完整的外观纹理影像，才能达到真实逼真效果。基于激光雷达测量技术的城市三维建模解决方案，综合了激光雷达技术、摄影测量技术等先进技术，并吸收了传统建模方法中手工制作的优点，提供了一套完整的解决方案，可以有效解决传统城市三维建模工艺中的不足。相对于整个城市建筑物而言，其数量和工作量已是微乎其微了。

§7.3　城市三维建模技术介绍

基于三维视角的城市空间信息管理、查询和分析，突破了传统二维平面地理信息单一表述模式，不仅能为用户提供视觉上的感受，让用户对城市建设具有直观的感性认识，更使得城市建设和管理的决策者、设计师和用户对城市空间现状有更为生动、客观和理性的了解和认识，从而拓宽视角，使城市规划、设计和管理更加科学化、高效化，这对城市可持续发展研究具有重要意义。

城市建筑物三维模型数据是组成三维数字城市的重要数据源，同时也是投入人力和物力最多、生产周期最长、质量好坏直接影响后期应用的一项生产工作。因此，研究和探讨高效的城市建筑物三维建模手段是非常有意义的。

7.3.1　传统城市三维建模概述

传统方法对城市建筑物进行三维化建模，主要包括如下几种手段:

(1)手段一:采用人工建模+数码相机

建模人员现场查看建筑物外观特征，包括形状、高度等数据，同时拍摄外观数码照片，在室内以数码照片作参考，人工构建三维模型，侧面纹理采用拍摄的照片进行贴图。

(2)手段二:采用规划设计图纸+数码相机

收集城市建筑物的规划设计图纸，根据图纸上标注的尺寸、高度信息，在电脑上进行人工建模;如果有电子版的规划图纸，也可以利用软件自动生成三维模型。建筑物侧面纹理通过人工现场拍摄的数码照片进行贴图。

(3)手段三:采用全数字摄影测量系统+数码相机

利用航片或卫星图片获取建筑物顶面轮廓和纹理，通过全数字摄影测量系统获取建筑物高度，侧面纹理采用人工现场拍摄的数码照片进行贴图。

在以上三种传统建模手段中:

(1)手段一靠人工估计建筑物高度进行三维建模，虽然建模效果可能比较美观漂亮，但空间精度很低，主要满足一些需要美观效果的应用，无法完成真正的空间分析和计算，存在较大局限性，且城市建模物繁多，工作量相当大，还需要大量的外业人工拍摄建筑物侧面纹理工作。

(2)手段二通过规划设计图纸虽然构建的三维模型精度能得到保证，但一个城市的建筑物设计图纸不可能齐全，且工作量也非常大，同时还是存在大量的外业人工拍摄建筑物侧面纹理工作。

(3)手段三通过全数字摄影测量系统能基本准确地构建建筑物三维轮廓，也能通过正射影像获取建筑物顶部纹理，但同前面两种手段一样，没有解决建筑物侧面纹理的采集工作。

从20世纪90年代中期数字城市在国内兴起开始，上述三种建模手段就在被反复采用，取得了一定的效果，但还存在许多问题，比如一般一个中等城市的核心区域都近百平方公里，建模周期至少三年甚至更长时间，当投入大量的人力物力在三年内把模型建完时，城市现状早已发生了巨大变化，三维建模进度跟不上城市化建设节奏，构建的三维模型成果很可能成为面子工程或政绩工程。

近年来，城市化进程的飞速发展可以用日新月异来形容，我们必须从建模手段着手，解决城市三维建模周期长和效率低这一瓶颈问题。

综上所述，传统城市三维建模手段，或多或少存在以下的缺点和不足:

(1)数据误差大:平面和高程误差通常在数米;

(2)制作周期长:完成一个中型城市三维建模往往需要数年时间才能完成;

(3)质量控制难:由于需要大量的人工外业工作，质量控制难度较大;

(4)纹理效果差:在数量与效果之间找不到平衡点，无法达到规模化纹理采集;

(5)建模效率低:人工作业多且对专业技能要求高，导致投资成本大，数据更新慢;

(6)外业工作量大:地面采集数据，难以采集密集楼区的建筑整体，工作量和制作难度大。

因此，传统城市三维建模制作方法，很难开展大面积的构建，仍然停留在小区域的水平。

7.3.2　基于激光雷达技术和多相机技术的城市三维建模

1.总体介绍

城市三维模型要有完整的外观纹理影像，才能达到真实逼真效果。现有的激光雷达测量系统可以解决建筑物三维框架和顶部纹理贴图，但无法解决建筑物侧面纹理的获取问题，因此需要在现有的激光雷达测量系统基础上，进行设备功能集成扩展和改装:在硬件上搭载2个或4个呈45°倾角的高档专用数码相机，在软件上对数据采集控制系统软件进行功能扩展，使其在控制激光雷达测量系统的同时，能同时控制倾斜相机，实现建筑物四方侧面纹理同步采集，这样就可以通过一次航飞获取三维建模所需的所有数据，包括激光点云、正拍和斜拍影像，可以处理得到数字正射影像、建筑物侧面纹理、数字地面模型、建筑物模型、树木模型等。

基于激光雷达测量技术的城市三维建模解决方案，综合了激光雷达技术、摄影测量技术等先进技术，并吸收了传统建模方法中手工制作的优点，提供了一套完整的解决方案，可以有效解决传统城市三维建模工艺中的不足。该解决方案具有以下优点:

(1)航飞采集的高精度激光雷达数据可以用于制作高精度DEM和获得建筑物轮廓等几何信息。

(2)航飞时同步采集建筑物顶面和侧面高分辨率照片，基于摄影测量原理建立可量测三维影像，可以实现高度、面积、角度等的量测，同时提供建筑物各个面的几何数据和纹理数据。由于航飞直接采集了80%以上的建筑物侧面纹理，大大减少了外业拍照工作量。

(3)美观度和建筑细节度要求非常高的建筑物，如标志性建筑物，采用航飞得到的精确几何数据和高分辨率纹理数据，使用专业建模工具3DMAX等建模，大部分非标志性建筑物美观度要求不高，可以通过建模工具快速制作完成。

(4)航飞可以采集建筑物整体图，结构容易把握，解决了在地面只能拍摄多个局部照片的问题，特别是在建筑物密集区或树木遮挡严重地区。

由于城市建筑物具有密集的特殊性，在局部区域可能会出现少量激光点云数据和建筑物侧面纹理数据无法采集完整的情况(采集盲区)，或对于标志性建筑物、重点建筑物等区域需要精细化建模等，因此可以根据需要采用地面三维激光扫描仪进行补充采集，辅以人工建模方式进行精细化建模。相对于整个城市建筑物而言，其数量和工作量已是微乎其微了。

2.技术流程

基于激光点云、正拍和斜拍影像等数据快速进行城市三维建模，广西桂能信息工程有限公司提出了一套量身定制的大范围城市三维快速建模解决方案，并通过自主开发的快速纹理贴图软件——LiDAR Studio来串接整个流程。该解决方案的工作流程如图7-1所示。