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数字城市三维建模方法比较分析
时间:2015-10-22    评论:0
    来源:第三维度
    作者:李永泉,韩文泉,黄志洲
    单位:南京市测绘勘察研究院有限公司
        江苏今迈数字空间技术股份有限公司
        南京大学地理与海洋科学学院

    摘要:本文针对目前国内三维建模项目生产现状, 把目前流行的建模技术方法分为三大类: 模拟建模、半模拟建模和测量建模。对模拟建模从地理信息技术角度进行了剖析。从技术方法、经济效益和实现难易三个方面, 讨论分析了现行的一些建模方法: 数字摄影测量、直接依图而建、三维激光扫描三种方法。最后在结尾提出笔者的建议。

    1 引 言

    近些年来, 有关 3DCM ( 三维数字城市模型)的研究得到了飞速的发展, 日本 1998, 1999 两年举办了两次题为 Urban MultiMedia/ 3D M apping的国际学术讨论会, 众多学术论文对三维数字城市模型( 3D City M odel) 、三维数字城市地图( 3DCity M ap) 、计算机城市( Cybercity) 等相关内容进行了研究。2000 年国际 摄影 测量 大会将 研究3DCM 中的复杂操作与分析列为大会主题之一,在摄影测量领域, 3DCM 的研究也成了一个热点。

    3DCM 作为空间数据基础设施的重要内容, 同传统的二维数字地图类似, 覆盖范围较大。至今,3DCM 的数据获取仍然是一项投资巨大、技术要求复杂的工程, 其技术水平是影响其建设与更新工作效率的重要制约因素。三维数字城市模型制作往往涉及多种数据源和多种技术手段的集成应用。受到应用需求、成本以及建模区域面积和复杂程度等多种因素的影响, 人们往往根据不同的需求和技术条件水平来建立质量不同的三维数字城市模型。数据精度、成本和建模效率要求往往决定了选择何种数据源和建模方法。当前, 三维数字城市模型的数据源主要有卫星影像、航空影像和机载激光扫描数据、近景摄影测量数据、近距激光扫描数据和人工测量数据以及其他一些外部导出数据。不同的数据源对应着不同的三维数字城市建模方法。

    对于三维数字城市建设以及其三维建模方法,近些年研究者颇多。史长鳌等( 2007 年) 在文章中,分析了目前数码城市三维重建的各种方法, 指出其不足, 并且较为详细的阐述激光扫描的建模方法。

    钟成等( 2007 年) 讨论了利用航空数码相机重构城
市三维模型的方法和过程, 重点解决数码相机应用的产生的误差问题。郑持辉等( 2009 年) 针对三维仿真模型数据却缺乏统一的标准规范, 三维模型数据更新、维护和数据共享成为难点, 在一定程度上制约三维仿真更加深入的应用的角度, 对三维仿真模型数据标准展开研究, 提出标准制定时需要重点关注的因素, 对标准主要内容进行分析阐述, 并以建设重庆三维仿真系统为例, 开展三维仿真模型数据标准制定和应用探索。本文重点对现实存在的城市地物建模方法进行比较分析, 指出了各种建模方法的特点, 使投资方从技术角度了解投资的价值所在, 在一定程度上可以避免不必要的重复投入和浪费。

    2 建模方法分类

    笔者根据建模采用的技术手段和表现形式, 把建模方法分为三大类: 模拟建模、半模拟建模和测量建模。

    模拟建模

   模拟建模指主要采用比照引用的数据或实物, 在计算机里软件里直接建模。其显著表现形式为: 极大模型化现实世界的人工建筑物和自然物, 用少量的抽象化模型替代现实世界中的物体。其另外一个特点为: 不使用统一的三维坐标系统, 或者即使使用了坐标系但因随意性较大其数学精度较差。这样建模方法的最大好处是可复制性好, 从而极大地节省工作量, 从而节约建设成本。一般现实环境模型周边不重要的地物烘托通常用这样的手法, 在广告宣传里时有出现。目前在网络上流行的类似于 E 都市的网路地图, 也有用此方法建模之嫌。这种建模方式会在虚拟的游戏或广告宣传中还会继续使用, 但在地理信息领域因为其不可量测性会逐渐被淘汰。


        (a) 南京 E 都市截屏        (b) SkyLine 软件平台下真三维场景截图
 图1

    图1 之( b) 是用激光扫描方式获得的三维坐标, 在 3DM AX 软件中按实地的坐标建立起来的三维场景。比较两张图, 我们不难发现, ( a) 图在 真实性 上面存在如下问题: ( 1) 王府大街( 左图的地面上有文字说明) 旁边金色建筑( 金鹰国际购物中心) , 主楼和裙楼的顶部建筑完全是错的, 本来可以停靠直升飞机的顶部停机坪完全没有表现出来; ( 2) 房屋高度相互之间的关系严重失调。观察王府大街两边的建筑, 不难发现, 其图形的高度很可能做了拉伸, 高差不对; ( 3) 从图形的整体布局来看, 建筑的平面位置在( a) 中显然是 大概准确 ; ( 4) 如果从地理信息作业角度分析, 会发现南京 E 都市的 三维地图 表达, 丢掉了很多信息, 如地下停车场入口、建筑的裙楼、道路上的市政设施等等。

    半模拟建模

    半模拟建模是介于模拟建模和测量建模的一种 病态 建模方法。其显著特点为建筑物( 此处以建筑为例) 的三维坐标有一维或二维是维是任意或用数学推导的方法获得, 没有按现状的位置或大小去量测。笔者之所以把这一方法单独划分出一类, 是因为目前这种建模的方法在现实工程项目中大量存在, 却没有引起投资方的足够的重视。而且, 模型承建者往往受各种限制条件不能采用测量的方法建模。这些限制条件是多种多样的:经费限制、周期紧、数据源缺乏或技术手段落后等等。

    测量建模

    测量建模顾名思义, 是用测量的方法获得建筑物的长宽高和位置, 然后在计算机中构建模型, 用专门的软件做应用开发。从三维地理信息的角度而言, 笔者倾向这种方法建模。测量建模的方法还可以细分为数字摄影测量、直接依图而建、三维激光扫描等方法。其中数字摄影测量还可以细分为: 航空摄影、地面固定摄影和地面移动摄影三种方法。三维激光扫描与摄影测量类似, 也有空、地面固定和地面移动三种方式。直接依图而建主要是利用现有的地图资料, 辅助野外少量测量数据建模, 所采用的地图资料是经过质量检查验收的合格数字产品。

    3 比较分析

    下面重点比较分析航空摄影测量、依图而建和机载激光扫描( LiDAR) 三种建模方法。这三种建模方法都是基于测量的建模方式, 目前很多研究者在自动化方面进行着更深入的研究。

    航空摄影测量技术本身已经有 100 多年的发展历史, 但应用在三维建模方面才有 10 多年的时间,与其他方法比较而言相对来说技术比较成熟, 有许多现成的软件和算法可以直接应用。

    依图而建方法主要是根据原来的资料建模, 比如地形图、建筑立面图等。用这种方法的研究重点在于获得资料的形式多样, 把能获得到的数据变成模型的算法和技术路线, 尤其是减少大量的手工劳动方法更为复杂。

    机载激光扫描是最近几年才兴起直接测量的三维建模方法, 仪器设备昂贵、算法复杂且技术不十分成熟, 有技术含量高和建模三维坐标精度高的特点。机载激光扫描与航空摄影测量有共同的特点, 需要使用空载平台进行 航空摄影的数据采集。

    针对这三种方法, 笔者从技术、经济效益、实现难易程度进行分析。具体见下表:



    4 结 论

    通过以上的对比分析不难看出, 进行三维数字城市建设过程中, 特别是三维模型建设阶段, 建模的方法和采用的技术路线尤为重要。各建设单位应该从项目的实际情况出发, 分析可获得到的数据等资源, 根据自己的技术和经济实力, 分步骤进行建设, 不能盲目崇尚高新技术, 也不能不调查研究就采用水平较低的方法, 造成资源浪费。在此, 笔者特别提醒项目投资方, 要注意一些名不副实的项目实施方案, 以减少国家和社会资源的浪费。

    参考文献

    1 孙敏, 马蔼乃等. 三维数字城市模型的研究现状评述[ J] .遥感学报, 2002( 3)

    2 htt p: / / nanjing . edushi. com/ , 2009 年 10 月 18 日访问

    3 史长鳌, 周园, 等. 基于 LIDAR 数据融合的数码城市三维重建[ J] , 河北工程大学学报( 自然科学版) , 2007( 6)

    4 钟成, 朱宜萱, 等. 航空数码相机在城市三维重建中的应用研究[ J] , 测绘信息与工程, 2007( 8)

    5 郑持辉, 陈良超. 城市三维仿真模型数据标准技术研究[ J] , 城市勘测, 2009( 2)

标签:数字城市建模三维城市
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