城市三维建模技术方案研究

摘要 :城市三维模型是对城市地形地貌、地上地下人工建（构）筑物的三维表达，反映城市中对象的空间位置、几何形态、纹理及属性等信息。本文阐述了城市三维建模基本准则，技术路线，生成流程、技术特点等内容。

关键词 : 三维建模 ; 立体测图 ; 真正射影像

Abstract: The 3D model of city is a city terrain, over ground and underground artificial built (structure) three-dimensional expression of the building, to reflect the spatial position, city of object geometry, texture and attribute information. This paper introduces the basic principle, 3D city modeling technology, production process, technical characteristics of the content.

Key words: 3D modeling; stereo mapping; true orthophoto

中图分类号：P25 文献标识码：文章编号:

引言:城市三维建模旨在综合运用“3S”技术、三维建模与可视化技术，以多尺度遥感对地观测技术为手段、以1:1000标准分幅和行政单元为基础作业单元，设计一套人机交互方式的城市三维建模技术流程，利用DEM、DOM、TDOM、DLG构建城市建筑物的几何模型，实现从DOM、TDOM和带有定向参数的原始影像上提取建筑物各个面的纹理，并对纹理信息进行处理，最后在建筑物几何模型上粘贴纹理生成城市三维模型。从而以较低的建设成本，较高的建模效率满足城市三维建模的要求，实现对城市现状的三维模型快速建立，满足不同用户的需求，为城市管理提供可视化的手段。

一、城市三维建模基本准则

1）分幅建模

为了便于数据库存储和系统调用，以1:1000标准分幅为单位作为建模的基本单位，DLG、DOM、DEM和TDOM也相应的以此单位分幅。

2）地物取舍

在城市三维模型中需要反映出城市的主体结构，对较大型建筑物要反映出其真实形状，对于小型建筑物，对全局影响不大的地物可以进行综合，以纹理影像代替细节。通过对地物的综合取舍可以有效地提高建模的效率。

3）特殊建筑物

由于地表存在大量的非规则建筑物，例如镂空建筑物（凉亭、加油站等）这种有顶部，而下面为空的建筑物，利用航空摄影方法进行建模只能表现建筑物的顶部结构，而不能构建出内部结构，因此需要对这类建筑物进行单独建模。

4）模型优化

建模场景中单个物体的面数不能太多，可以首先在二维矢量图中对建筑物的边线进行综合，将距离较近的线进行综合，使建筑物的形状尽量规则、简单，这样可以降低整个场景的面数，在纹理贴图时也可以节省时间，同时还可以提高交互场景的运行速度。

5）建模效率

需要采用高效的建模方法来构建地物模型。针对复杂地物，尽量把模型做成是可以组装的；对于需要手动建模的地物，选择建模软件（3DSMax、Maya、Sketchup、Mudbox、VirtuoZo、Photoshop等）进行建模。

二．三维模型制作技术路线

三维模型数据既应满足数字城市又应满足数字规划两方面的需求，将同时保证数据精度和美观度。因此建模方法以影像作参考依据，对测区范围内航空摄影的高重叠率遥感影像进行处理，并产生出建模过程中所需要的DSM、DEM、DOM和TDOM数据。通过全数字摄影测量系统采集到的矢量数据，基于DSM、DEM进行立面处理得到建筑物的几何模型，然后将建筑物几何模型投影到带有定向参数的航空摄影遥感影像和TDOM上，自动提取建筑物的纹理信息，最终生成建筑物完整的三维模型。三维模型制作技术路线如图1。

图1 三维模型制作技术路线

1）立体摄影测量技术

基于航空摄影测量和空三加密技术快速搭建三维城市模块，能够获取高精度的建筑高程信息，保障数字城市业务对高精度城市模型的需要。同时其高效、真实、精准的特性为业务应用快速提供准确的数据源，方便用户尽快开展行业应用。

2）真正射影像（TDOM）处理技术

与普通数字正射影像产品的区别是：三维建模区所用的背景图对所有建筑物都进行了中心投影纠正，从而保证建筑物无投影差。

利用全数字摄影测量系统，在立体环境下采集建筑物几何特征信息。摄影测量系统所采集的建筑物矢量数据，是制作三维建模区背景图的数学基础，利用此数据对正射影像数据进行再次精纠正，即可消除建筑物投影差。

正射影像数据精纠正之后，利用专业的正射影像镶嵌软件，为任何来源的正射影像提供完全自动的整块的色彩平衡和无缝镶嵌。

三．城市三维模型数据生产

1）矢量采集

利用全数字摄影测量系统，在立体环境下采集建筑物几何特征信息（图2）。

图2 建筑物矢量采集

2）三维模型生成

利用专业三维建筑物制作软件自动生成建筑物三维模型（图3）。

图3 自动生成三维模型数据

3）顶部纹理贴图

由于真正射影像已经消除了建筑物投影差，使得矢量信息与影像信息能够完美叠加，由此可以对影像顶部纹理信息进行准确裁切，并自动提取，附着在建筑物三维模型数据上（图4）。

图4 顶部纹理自动提取

4）建筑物侧面纹理贴图

a.影像贴图模型侧面纹理

本项目城市建筑物影像贴图模型侧面纹理部分采用影像贴图，提取正射影像作为建筑模型的侧面纹理（图5）。

图5 影像纹理模型

b.照片贴图模型侧面纹理

照片贴图模型采用实地采集照片作为侧面纹理（图6）。

图6 照片纹理模型

四．三维模型制作技术特点

1）利用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，对影像进行重采样，使影像视角被纠正为垂直视角而形成的影像图。而传统正射影像并不是完全消除了投影差的所谓“真正射”。

2）避免了高大建筑的倾斜对其它地物的遮挡。

3）图上的所有人造三维物体，例如建筑物和桥梁等，都被安放在它们真正的位置上，没有产生由高度的起伏而引起的位移。

4）利用真正射影像和数字地表模型进行叠加可以很方便地生成三维城市地面模型。由于建筑物等已经被纠正到垂直视角，所以三维建筑等的顶部影像能够和数字地表模型完美叠加。

5）在高架桥、立交桥等人工修建的桥梁处，因采用三维建模制作，故在真正射影像上我们采用还原原始地面的方式，使其在三维场景中显示地更真实。

五．结论

城市三维建模是以立体测量三维建模为主要工作内容，建模要求模型结构完整、平面和高程精度高、重点道路和市中心区域模型效果精美。最终建模成果可配置于三维地理信息平台上，用于展示及辅助决策，未来成果的应用将延伸到地下管线、数字城管、规划等，初步构建以三维仿真为技术基石，城市综合管理为目标的数字虚拟城市。

参考文献：

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