李朝奎,劉文斌,路立娟,楊 剛

(湖南科技大學(xué) 地球空間信息科學(xué)研究所,湖南 湘潭 411201)

一種修改建筑物底部DEM和DLG的實用方法

李朝奎,劉文斌,路立娟,楊 剛

(湖南科技大學(xué) 地球空間信息科學(xué)研究所,湖南 湘潭 411201)

三維快速建模在實現(xiàn)三維數(shù)字城市建設(shè)進程中起著舉足輕重的作用。針對JX-4G數(shù)字攝影測量系統(tǒng)測得的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線劃圖(DLG),提出一種改進的方法,主要對建筑物底部的DEM和道路DEM處存在的不匹配問題進行修改,并對DLG數(shù)據(jù)中建筑物高度信息的缺失進行改進。改進后的DEM和數(shù)字正射影像圖(DOM)能生成更高精度的數(shù)字表面模型(DSM),為高效率、高精度地建立三維數(shù)字城市模型奠定基礎(chǔ)。

數(shù)字攝影測量;DEM;DLG;修改方法

1 概 述

三維數(shù)字城市的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)、數(shù)字正射影像DOM(Digital Orthphote Map)、建筑物矢量數(shù)據(jù)和地物表面紋理影像等[1]。目前,比較著名的數(shù)字攝影測量工作站有北京四維遠見的JX-4G、Leica/Helava公司的DPW系統(tǒng)、Zeiss公司的 PHOD IS、Intergraph公司的 Image Station、ERDAS公司的OrthoMAX、武漢大學(xué)的Virtuozo等,這些系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的原理和流程基本相似,且都沒有對建筑物地基和路面處DEM做特殊處理[2-3],若直接將其產(chǎn)品用于三維數(shù)字城市建模,則會出現(xiàn)建筑物底部與DEM不吻合的問題。

比較有代表性的三維 GIS軟件,包括 ERDAS公司的三維可視化分析工具Imaging Virtual GIS、美國M ultigen公司的交互式三維造型軟件M ultigenCreator、瑞士 ETH Zurich大學(xué)研制的三維立體重建的軟件 CC-GIS(Cyber-City GIS)、美國 Integraph公司的模塊化地理信息系統(tǒng)M GE、瑞典Cycore公司的流式三維技術(shù)——Cult3D、Macromedia公司的Shockw ave技術(shù)、ESRI公司的、武漢適普軟件的基于4D的三維可視化地理信息系統(tǒng)、北京靈圖軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的VRMap、中國測繪科學(xué)研究院的New Map 3DV三維地理信息系統(tǒng)等[4]都能用于建立三維模型或場景,只是由于技術(shù)特點不同,應(yīng)用領(lǐng)域也略有差異。如CC-GIS側(cè)重建筑物建模,Cult3D注重網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,而 ESRI公司的產(chǎn)品利于空間分析等。但是這些軟件都不具備對數(shù)字攝影測量數(shù)據(jù)中的DEM和DLG進行改進處理的功能[5-6]。

本文對JX-4G數(shù)字攝影測量系統(tǒng)測量結(jié)果的上述不足進行了改進,使改進后的DEM和DLG能方便、準確地應(yīng)用于三維數(shù)字城市建模中。

2 DEM和DLG的改進方法

2.1 DEM和DLG的生產(chǎn)流程

DEM和DLG在JX-4G中的生產(chǎn)流程[7]如圖1所示,由于JX-4G-DPW生產(chǎn)DEM時沒有考慮建筑物的地基與路面處的平整性問題,獲取生成DEM的矢量數(shù)據(jù)時也沒有對建筑物的每個腳點進行高程測量,故現(xiàn)有的三維建模軟件都不能直接將JX-4G生產(chǎn)的DEM和DOM生成數(shù)字表面模型(DSM)。另外JX-4G生成的DLG數(shù)據(jù)中沒有存儲建筑物的高度信息,建立三維建筑物模型時需實時計算,建模效率低。

圖1 DEM和DLG的生產(chǎn)流程

2.2 改進原理與流程

首先,需改進的DEM數(shù)據(jù)是等間距的規(guī)則格網(wǎng)DEM。假定JX-4G所測得的可視地面區(qū)域DEM是準確的,用JX-4G所測的建筑物頂部棱廓和道路兩邊線的DLG是正確的,建筑物地基是水平的且路面在垂直于道路走向的方向上也是平的。由JX-4G得到格網(wǎng)DEM(文本格式)為中國NSDTF-DEM標準,而實驗采用的三維顯示軟件A rcScene只能識別并轉(zhuǎn)化 GRID格式的格網(wǎng)DEM[8]。故首先要將NSDTF-DEM標準格式的DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成 A rcGIS中的 GRID格式。對DEM和DLG進行如下修改:①根據(jù)建筑物頂部棱廓點 Pn在 XY方向上的坐標(Xn,Yn)找到其所在的DEM網(wǎng)格,如圖2所示,在構(gòu)成網(wǎng)格的4個結(jié)點中,距離 Pn最近結(jié)點的高程值即為 Pn投影到地面的高程。設(shè)同一建筑物m個結(jié)點地面高程的平均值為該建筑物的地基高程,其與對應(yīng)頂部棱廓點的 Z值之差D就是建筑物相應(yīng)位置的高度,在DLG建筑物結(jié)點坐標字段內(nèi)加存 D值,即可實現(xiàn)建筑物地基的置平以及建筑物和DEM的無縫銜接。②根據(jù)DLG中道路的水平位置和高程,用上述方法找出其DEM的位置,以DLG中的高程值為其真值(因為DLG中高程值是測量所得)對路面處的DEM進行改正。數(shù)據(jù)改進的整個流程如圖3所示。

2.3 改進方法實現(xiàn)

2.3.1 建筑物DEM的改進

根據(jù)三維顯示和三維空間分析這兩種不同的應(yīng)用要求,用兩種方法對DEM數(shù)據(jù)進行修正。

方法一:建筑物地基DEM鏟平。

根據(jù)地物矢量數(shù)據(jù)(存儲于DLG)中建筑物頂部點坐標與DEM插值,得出建筑物腳點高程值,將DEM中建筑物底面多邊形區(qū)域內(nèi)各點的高程都設(shè)為其腳點高程的平均值(因為建筑物的底面是水平的)。由于建筑物、DEM和DOM處于不同的圖層內(nèi),可以對建筑物貼紋理[9],所以采用這種方法的優(yōu)點是輸出三維地圖的視覺效果比較好。但同一棟建筑可能由兩個或兩個以上不同高度的部分組成,這些高度不一的部分其連接處是無縫的,而用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)進行向量測圖時很難測量連接處的公共邊。所以,這樣的建筑物一般會被當作幾個不同高度的平頂建筑物,如圖4所示。這樣重建之后的建筑物模型之間就形成了縫隙或重疊在一起,如圖5所示。所以使用這種方法建立的三維模型不適合進行三維空間分析。

方法二:建筑物處DEM拉伸。

它是為彌補方法一的不足而設(shè)計的。這種方法與方法一的不同之處在于,它不將DEM中建筑物底面多邊形區(qū)域內(nèi)各點的高程設(shè)為其腳點高程的平均值,而是設(shè)為其頂點高程值,即把建筑物的表面看成地貌。且由于格網(wǎng)DEM的間距一般都大于方法一出現(xiàn)的縫隙或重疊部分的寬度,所以縫隙或重疊的部分會被抹掉。三維顯示時不再顯示建筑物層,而是顯示根據(jù)DEM拉伸了的DOM。進行同時需要考慮地貌和建筑物的三維空間分析時只要分析一種數(shù)據(jù)-DEM 。這種方法優(yōu)點在于便于進行三維分析,且不會影響分析誤差,因為誤差主要來源于格網(wǎng)間距和測量過程。但是這種方法顯示出來的三維圖像在美觀上劣于方法一。

2.3.2 道路DEM的改進

分析地物矢量數(shù)據(jù)中的道路數(shù)據(jù),確定道路的兩條邊線。沿道路的測量方向?qū)⒌缆贩殖扇舾蓞^(qū)段,再將各個區(qū)段處的DEM沿垂直于道路的方向根據(jù)道路的矢量數(shù)據(jù)抹平,使各個區(qū)段都成為沿道路方向傾斜的平面。

2.3.3 DLG的改進

通過上述方法將建筑物地基DEM鏟平后,用DLG中建筑物頂點高程減去建筑物地基高程,所得值存儲在DLG建筑數(shù)據(jù)層的相應(yīng)位置,用于建筑物模型構(gòu)建,如此即可實現(xiàn)模型中建筑物底部點的高程與地貌中相應(yīng)位置高程的一致,從而實現(xiàn)建筑物模型與地貌模型的無縫連接。

3 應(yīng)用實例

3.1 實例數(shù)據(jù)

本實驗使用JX-4G系統(tǒng)中附帶的測試數(shù)據(jù),總面積是4.475 km2,DEM格網(wǎng)間距為1 m,DOM精度為0.2 m,建筑物數(shù)為269個,大小道路共24條。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架及性能

使用JX-4G系統(tǒng)附帶的實驗數(shù)據(jù)制作一份DEM、DOM 和 DLG,以 VS2005為平臺,以 C#為開發(fā)語言設(shè)計一個用于三維建模的改進程序。其主要功能為數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)操作以及應(yīng)用,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)利用建筑物頂部頂點坐標數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù),系統(tǒng)能自動地插值出房屋的腳點坐標和房屋的高度。

2)系統(tǒng)可以多次讀取矢量數(shù)據(jù)文件,并將矢量數(shù)據(jù)無重復(fù)的存儲。

3)通過數(shù)據(jù)修正,系統(tǒng)實現(xiàn)了建筑模型與DEM的無縫連接、建筑物底部和道路處的DEM整平,使DEM與現(xiàn)實擬合得更好。

4)手動建房使用戶能在本系統(tǒng)上實現(xiàn)建設(shè)規(guī)劃功能,使用戶能看到規(guī)劃后的大體效果。

5)處理速度快。從數(shù)據(jù)的讀取到最后建筑模型的顯示用時不到10 min,雙核2 G以上的CPU能在6 min內(nèi)完成。若除去數(shù)據(jù)修正和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化兩個步驟,所用的時間將節(jié)省一半以上。

3.3 實例效果圖

圖7是由經(jīng)過修正后的DEM、DOM以及改進后的DLG數(shù)據(jù)生成的數(shù)字城市模型總體圖。

圖7 數(shù)字城市模型

圖8表示DEM在陡坎處的變化,比圖9所表示的部分要平緩,圖9為在建筑物處還有凹凸起伏。該圖中看到的在陡坎附近的建筑物地基依然不平,這是由于A rcScene軟件內(nèi)部建模機制無法使用間距為1 m的DEM進行抽析造成的。

由圖10可以看出路面的右邊明顯高于左邊,即不夠合理;圖11表示修改后的路面,從圖上可知,該修改是合理的。

由圖12可看出,數(shù)字表面模型(DSM)是比較精確的。圖上表示墻體的部分基本垂直于地面,墻體的投影寬度不超過1 m。圖13表示的為手動建房功能,只要用戶選擇建筑物的底部頂點并輸入建筑物高度,就能建立起相應(yīng)的三維建筑物模型。

4 結(jié) 論

本文通過對DEM和DLG的改進,使原本可能出現(xiàn)在路面和建筑物地基處的不平消失,實現(xiàn)建筑物模型與地面無縫銜接,生成的DSM能清晰地反映建筑物所在位置,提高了三維數(shù)字城市建模的精度和速度,并在系統(tǒng)中實現(xiàn)了手動建房功能,此功能可以精確地在用戶指定位置“建房”,且整個系統(tǒng)能流暢地進行三維漫游,實現(xiàn)了預(yù)期功能。

方法一對建筑物和DEM的處理,使建筑物模型與DEM實現(xiàn)無縫銜接,雖不利于進行空間分析,但三維場景顯示逼真美觀;方法二能抹掉方法一產(chǎn)生的縫隙,且便于進行三維空間分析,不足之處在于沒有前者圖形顯示漂亮。這兩種改進方法分別從不同角度對三維數(shù)字城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了修改,各有優(yōu)劣,故有待于尋找兼?zhèn)涠邇?yōu)點的新方法。

數(shù)字攝影測量是一種能快速高效獲取高精度地理空間數(shù)據(jù)的技術(shù)[10]。本文對JX-4G數(shù)字攝影測量系統(tǒng)生產(chǎn)的DEM和DLG這兩種數(shù)據(jù)的改進方法,在大規(guī)模的三維數(shù)字城市建設(shè)中具有借鑒意義。

[1]龔健雅,朱慶.當代地理信息技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:170-171.

[2]李成名,王繼周,馬照亭.數(shù)字城市三維地理空間框架原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2008:17-20.

[3]張劍清,潘勵,王樹根.攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[4]王之卓.攝影測量原理[M].北京:測繪出版社,1979.

[5]張祖勛,張劍清.數(shù)字攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,1996.

[6]沈婕.數(shù)字攝影測量與虛擬城市建設(shè)[OL].設(shè)計知識資源網(wǎng),2008-7-12.

[7]戴小真.全數(shù)字攝影測量的生產(chǎn)流程及技術(shù)要點[J].地礦測繪,2002,18(2):16-17.

[8]陳干,閭國年,劉曉艷.數(shù)字城市與虛擬城市關(guān)系研究[J].江蘇城市規(guī)劃,2000(4):30-34.

[9]劉德利.基于數(shù)字攝影測量的城市三維景觀建模[D].吉林:吉林大學(xué),2006.

[10]胡志貴.數(shù)字攝影測量系統(tǒng)——基礎(chǔ)空間信息生產(chǎn)的解決方案[J].中國 GIS工程與應(yīng)用通訊,2001(1):44-46.

A practical way of modifying the DEM and DLG on the bottom of buildings

L IChao-kui,L IU Wen-bin,LU Li-juan,YANG Gang
(Institute of Geospatial Information Science,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

3D rapid modeling p lays a vital role in the p rocess of 3D digital city construction.The article raises amethod of imp roving Digital Elevation Model(DEM)and Digital Line Graph(DLG),w hich ismeasured by JX-4G digital photogrammetry system and mainly modifies the unmatched in DEM on the road and the bottom of building,as well as the lack of building height information,saved in DLG.The imp roved DEM and Digital Orthophoto Map(DOM)can p roduce Digital Surface Model(DSM)w ith more high-accuracy,p roviding the foundation for modeling 3D digital city efficiently and p recisely.

digital photogrammetric system;DEM;DLG;modification method

P23

A

1006-7949(2010)06-0004-05

2009-12-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(40671153);教育部留學(xué)回國基金資助項目(A 30702);湖南省教育廳重點資助項目(07A 02);人事部留學(xué)回國基金資助項目(A 3803);地理空間信息工程國家測繪局重點實驗室開放基金項目(200816)

李朝奎(1967-),男,教授,博士.

[責(zé)任編輯劉文霞]