梅永達，石國印

（天津市建筑設計院巖土工程中心測繪所，天津 300074）

1 前言

數字城市(Digital City)源于數字地球的戰(zhàn)略構想，是數字地球的核心部分。數字城市建設是城市信息建設的基礎設施，是城市規(guī)劃、管理必不可少的基礎數據依托，信息時代發(fā)展的必然產物。

在數字城市中，建筑物是最重要的部分，在數字城市中，建筑物的三維建模是非常重要的工作。隨著測繪技術的迅猛發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感（RS）的應用研究日趨深入，使得各種豐富多樣的信息能夠以空間為基礎有機的結合起來，人們越來越多地要求從三維空間來處理問題，對于大中城市，特別是居民密集的區(qū)域，房屋的三維立體數椐采集工作量是非常大的。本文主要介紹基于數字攝影測量三維模型建立流程及相關規(guī)范。

2 攝影測量建立數學基礎

傳統(tǒng)的攝影測量以航空攝影測量為主，主要是用于測繪地圖。但是由它獲取的影像，其信息遠比地圖豐富與直觀，因而近代發(fā)展了影像圖的生產與應用；同時攝影測量與地面測量不同，攝影測量能夠直接獲得房屋屋頂、樹林表面的三維坐標，從而為三維地圖——城市的三維幾何建模奠定了基礎。加之計算機與三維可視化技術的迅速發(fā)展，使得城市三維建模正在逐步成為現實。

從攝影測量與遙感的角度，城市建模從本質而言應該分為幾何建模(geomet rical modeling)與紋理建模(texture map2ping)兩部分組成，它由：1）正射影像與DEM構成三維地形表面；2）由房屋的幾何模型與紋理構成三維建筑物；3）以及三維的植被（森林）與其它地物所組成。關鍵的是第一、二兩部分，根據要求、原始資料的不同，進行城市建模的方案也不相同。對地面的紋理要求不高的城市建模，正射影像可以采用衛(wèi)星圖像與DEM構成；而高要求的應采用航空影像與DEM構成。如果要對屋頂進行建模，就必須應用航空攝影的影像；若對屋頂的三維建模要求不高，房屋的幾何建?？梢杂蓴底志€劃圖實現，房屋的高度一般根據樓層的數目進行估計。但是，無論是航空影像、還是衛(wèi)星影像均不能清晰地反應房屋的墻面紋理，當前解決墻面紋理的方法多是以地面人工拍攝的方法獲取。攝影測量方法建立三維模型的技術流程如下圖1：

圖1 數字城市建模整體設計方案

3 基于數字攝影測量方法的幾何建模

幾何建模包括數字地面模型DEM的建立與地物三維空間數據的提取。

3.1 DEM的建立

DEM可從航空立體影像對或高分解率衛(wèi)星立體影像對、采用影像匹配技術自動提?。ㄓ袝r也需要一些人工編輯）；也可以由LiDAR數據經編輯直接提??；也可利用已有地圖掃描數字化的矢量化等高線、采用等高線保形的DEM內插法生成。在數字城市中，基本上還是采用矩形格網或三角格網的DEM。

3.2 地物（主要是房屋）三維空間數據的獲取

利用攝影測量航空航天立體影像對的方法獲取地物的三維信息，目前主要是在數字攝影測量系統(tǒng)上以人工立體量測的三維測圖方式提取。若對屋頂的三維建模要求高，頂部紋理利用航空影像貼圖，高度采用攝影測量立體讀取的方法直接讀取，若對屋頂的三維建模要求不高，也可利用已有地圖掃描數字化的矢量數據（或者地面測量數據或者GIS中已有的矢量數據）。若獲取的矢量數據只是二維的，則房屋的高度可以根據樓層數推算。

4 攝影測量三維建模關鍵技術

圖2 航空影像進行城市建模的結果

圖3 矢量數據（無航空影像）建模的結果

三維測圖在城市三維建模中是最根本的環(huán)節(jié)，城市真實三維數字模型建筑物的三維空間坐標的精度完全取決于三維測圖的精度。三維測圖的內容主要包括：建筑物的采集、植被的采集和墻體的采集。進行三維建筑模型的采集時，所采集的每一個建筑模型（包括分割的建筑模型）都要求由一筆畫成，為建立城市三維立體模型而進行的城市建筑物數據采集則不同于一般測圖的數據采集。

4.1 采集房屋高程信息

利用數字攝影測量工作站在立體環(huán)境下采集房屋高程信息，主要包括：高程信息和三維多段線，高程信息主要指采集房頂高程以及地面高程，用三維點表示，三維多段線主要采集房頂女兒墻、房檐邊線和各種房頂造型，三維數據采集完成后，先將采集結果轉為DWG格式與1∶500地形圖或1∶2000地形圖數據進行疊加對此，以查找漏測的信息，并進行及時補測，將采集的數據進行統(tǒng)一分層管理。

4.2 整理房屋高程信息

將采集的三維數據成果，與對應1∶500圖地形中的房屋圖層在CAD軟件中進行疊加。將個各層中數據進行整理。數據整理之后保證圖中房屋圖層各閉合多段線內有且僅有一對高程點，即房屋高程和地面高程。將整理好的數據計算生成boundary，并將計算結果轉入“二維多段線”層中，結合采集的高程點對，將二維多段線并轉為三維多段線

4.3 導入3Dmax制作房屋模型

將DWG文件中的房屋圖層導入3Dmax。在3Dmax中用腳本文件生成房屋樓體模型、女兒墻和屋頂造型，將同一個建筑的樓體模型和屋頂造型模型附加成為一個物體，然后結合航空影像和外業(yè)拍攝的照片給模型貼指定紋理材質。

攝影測量方法建立三維模型過程效果如下圖4、圖5、圖6、圖7所示：

5 結論

圖4 真彩色航空正射影像

圖5 立體采集建筑物的三維矢量圖

圖6 正射影像圖與三維矢量疊加

數字城的建立是一個非常龐大的、復雜的、長期的系統(tǒng)工程，它需要多部門、多學科之間的長期的合作才能逐步實現的，我們應把它作為長期奮斗的目標。城市建模是數字城市的基礎，它無論在理論上、技術上均剛剛開始，不少關鍵問題與技術仍然沒有解決。其中城市建模的標準、規(guī)范將還沒有建立，這些都還有待逐步完善。

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