基于数字摄影测量技术的三维建模方法探讨

摘要：在“数字城市”建设过程中，二维空间数据一直作为空间信息基础设施框架重要的数据内容，在城市规划、交通、市政等各领域应用广泛，但传统的二维数据很难表现城市三维空间形态的多样性和复杂性以及相互之间的关系。文章介绍了三维建模的背景及意义，简述了数字城市三维建模的一些方法，并以数字沈阳三维建模为例，重点阐述了基于数字摄影测量技术的三维建模方法。

关键词：三维模型;数字摄影测量;三维地理信息系统;数字城市;城市规划 文献标识码：A

中图分类号：P232 文章编号：1009-2374（2015）02-0019-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0108

1 概述

“数字城市”是随着“数字地球”战略的提出应运而生的，是解决城市问题的综合性工程。在“数字城市”建设过程中，二维空间数据一直作为空间信息基础设施框架重要的数据内容，其在城市规划、交通、市政等各领域应用广泛，但传统的二维数据很难表现城市三维空间形态的多样性和复杂性以及相互之间的关系。城市三维空间信息则具有直观性强、信息量大、内容丰富等优点。三维地理信息系统已成为数字城市的重要组成部分，而三维模型的建立是三维地理信息系统建立基础。本文对基于数字摄影测量技术的三维建模方法进行探讨。

2 构建三维模型的方法

三维模型数据生产是建设数字城市三维地理信息系统的核心，三维模型的精度和建模效率直接影响着三维地理信息系统的实用性和建设周期。现将有代表性的四种建模方式列出：

第一，基于航空摄影测量的三维建模技术。通过航空摄影测量技术，在立体环境下，能快速准确获取建筑物等三维模型数据的位置、形状及高度信息，再加以外业纹理采集及正射影像屋顶信息即可构建精细三维模型。成熟的DEM数据及DOM数据生产技术路线能快速重建三维场景中的地形数据，真实展现城市风貌。

第二，采用机载激光雷达扫描，快速获取城市建筑模型及地表模型，但是这种方式获取的数据量非常庞大，若需提取有用信息必须加上很多人工干预，此种方法建立的三维立体模型没有建筑物的色彩纹理。

第四，基于规划图纸等二维数据资料的城市三维建模方法，利用AutoCAD、3DS Max等软件建立三维模型数据，但是此方法需要大量的工作来收集数据，且数据的时效性存在不确定性，对于建筑物顶部纹理存在盲区，高程数据的获取工作量亦较大。同样此种方法建立的三维立体模型没有建筑物的色彩纹理。

第五，SWDC-5倾斜摄影系统及SSW-2车载建模测量系统这两个系统是刘先林院士在第六届中国数字城市建设技术研讨会数字城市高峰论坛上提出的，目前正在推广应用阶段。

3 基于数字摄影测量技术的三维建模方法

基于数字摄影测量技术的三维数据制作工艺，其具体优势如下：

第一，数据的获取、处理、分发等都是以数字的形式，摄影测量所有工序都可以在计算机上实现，并且涵盖整个传统摄影测量的各个工序。

第二，数字摄影测量技术能够协助设计人员快速建立地面建筑的空间几何、高程数据，具有几何精度高、成像速度快等特点;地面建筑空间几何精度可以达到厘米级，数据更新较容易，且可应用于大的工程项目和国家范围内的数据采集，为数字城市乃至数字地球提供基础数据框架。

第三，基于数字摄影测量技术的城市三维模型数据，与通常的计算机动画制作和仿真模拟景观的不同之处在于，它是根据建筑物的实际三维地理坐标，构建真实的城市三维景观模型。在此三维景观模型数据中，建筑物之间的空间位置关系与实地是完全对应的，而且任意点的空间三维坐标是可以量测的，具备测绘级别的数据精度。

采用数字摄影测量技术的数字沈阳三维建模技术路线如下图1所示：

图1 技术路线

3.1 航空摄影测量

本项目航空摄影采用DMC全数字航摄仪，获得航摄比例尺为1∶5000、影像地面分辨率0.06m的影像资料。利用获得的影像资料和外业像控资料通过航天远景的DATMatrix软件进行空三加密，获取内业测量所需要的外方位元素和加密点坐标。

3.2 建立数字高程模型（DEM）

DEM是建立数字城市的基础信息之一。本项目利用空三加密后的数据在航天远景的MapMatrix软件中自动创建立体模型，并检查相对定向、绝对定向精度，生成模型的大地核线、自动匹配，生成5m格网的DEM文件。在匹配编辑窗口中依作业指导书进行等视差曲线或等高线的编辑使所有曲线均贴紧地面，最后生成DEM并进行DEM接边检查与处理。

3.3 生成数字正射影像图（DOM）

数字摄影测量系统可以进行正射影像纠正和镶嵌、裁切等。将DOM与DEM叠加，可生成城市的三维景观。本项目用经过接边处理后的DEM进行正摄纠正，纠正后的航片在航天远景的EPT中进行，匀色、匀光、调整编辑拼接线镶嵌影像。最后按图幅坐标裁切。

3.4 真正射影像图生产（TDOM）

三维建模区背景图是DOM产品的一种，本项目建模范围内地面进行真正射生产。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。

3.5 建立城市真实三维景观模型

城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像通过数字摄影测量方法，精确测得物体目标的空间三维坐标及获取建筑物的部分纹理，由相应软件自动生成建筑物的结构模型。

3.5.1 基础模型的制作。利用空三加密后的数据在MapMatrix的立体环境下按照《沈阳三维地理信息系统建设设计书》对建筑物分类及模型合并标准的要求，对建筑物房顶及桥梁进行对应的平面几何和高程数据的采集，并达到平面位置精度

3.5.2 屋顶纹理的提取。按要求对原始影像进行色调处理后，在相应的软件下进行影像与基础模型的同名点的匹配，并达到合格精度，软件自动提取建筑物顶部纹理。

3.5.3 外业纹理采集。利用手持数码相机，根据外业纹理采集规范，采集测区范围内所有建筑物侧面纹理信息。在外业采集纹理相片时，需要将每个建筑物的外部轮廓用相机清楚地记录下来，并保证相邻毗连建筑的纹理接边。在采集过程中，必须有建筑物整体纹理效果及建筑物局部放大纹理效果，对于特征建筑物及建筑物的局部特征细节需要详细记录。

3.5.4 三维模型制作。沈阳三维地理信息系统中，三维模型主要分为地形模型、建筑模型、道路模型、植被模型、市政设施模型等五大类和精细模型、标准模型两个级别。

要求在较短的时间内完成沈阳市区大规模的三维建模，这对建模效率及数据质量都有很高要求。因为地形、道路和植被模型一般结构比较简单，建筑和市政设施模型相对复杂，所以我们采用3DS Max与MultiGen Creator两种软件结合起来进行建模，即：用MultiGen Creator制作地形模型、植被模型和道路模型，用3DS Max制作建筑模型和市政设施模型。

3.6 城市三维场景整合

采用高德的TerrainBuilder、ModelBuilder等工具软件，对DOM、DEM、模型、精细场景等进行优化、，整合生成数字城市三维场景。

4 结语

本文通过对数字沈阳三维建模项目的阐述，认为基于数字摄影测量技术的三维建模是一种非常行之有效的建模方法，但同时也存在着一些问题，如批量建模的自动化等还有待于广大测绘人员进一步研究和探讨。

参考文献

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[4] 刘晓艳，林珲，张宏.虚拟城市建设原理与方法

[M].北京：科学出版社，2003.

作者简介：赵丽梅（1977-），女，辽宁铁岭人，沈阳市勘察测绘研究院高级工程师，研究方向：航空摄影测量与遥感应用。