關(guān) 麗，丁燕杰，張 輝，馮學兵，譚向農(nóng)，趙金玲

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038；2. 中國石油新疆油田分公司數(shù)據(jù)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

關(guān) 麗1，丁燕杰1，張 輝1，馮學兵1，譚向農(nóng)2，趙金玲2

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038；2. 中國石油新疆油田分公司數(shù)據(jù)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

三維模型數(shù)據(jù)以其直觀性、客觀性和真實性等特性，成為數(shù)字城市數(shù)據(jù)庫中的重要組成部分。為了解決三維模型數(shù)據(jù)獲取的精準性和高效性等，在建設(shè)數(shù)字城市過程中，采取多種技術(shù)方式實現(xiàn)三維模型的獲取。包括采用傳統(tǒng)手工三維建模實現(xiàn)三維精細模型的精準性，采用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的超精細化，以傾斜攝影測量的半自動建模方式實現(xiàn)快速建模等。本文從技術(shù)角度全面總結(jié)了在建設(shè)數(shù)字城市過程中三維模型的具體技術(shù)途徑及應(yīng)用方式。三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)字城市的歷史文保、教育、經(jīng)濟等多個領(lǐng)域，為智慧城市的建設(shè)奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

數(shù)字城市；三維模型；三維激光掃描；傾斜攝影測量

數(shù)字城市是指以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用遙感、GPS、GIS、遙測、仿真-虛擬等技術(shù)，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術(shù)手段把城市的過去、現(xiàn)狀和未來的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)字化虛擬實現(xiàn)?？臻g信息領(lǐng)域建設(shè)的數(shù)字城市地理空間框架遵循了國家測繪地理信息局提出的“一庫+一平臺+N個典型應(yīng)用”的建設(shè)思路，主要以城市各區(qū)縣為單位展開建設(shè)。一庫是指統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫，其中包括二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、二維專題數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)內(nèi)容。一平臺指全區(qū)統(tǒng)一的、權(quán)威的地理信息公共服務(wù)平臺，通過平臺可以為全區(qū)各委辦局提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)。N個典型應(yīng)用指結(jié)合區(qū)縣各自的需求特點，建立N個服務(wù)區(qū)縣實際需要的應(yīng)用系統(tǒng)。其中，三維數(shù)據(jù)作為一庫中的組成部分，由于其直觀性、客觀性和真實性，成為數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分。在數(shù)字城市建設(shè)中，三維模型數(shù)據(jù)的獲取主要采取以下技術(shù)方式：采用傳統(tǒng)手工三維建模得到三維精細模型；以三維激光掃描方式實現(xiàn)三維超精細建模；以傾斜攝影測量的半自動建模方式實現(xiàn)快速建模[1]。本文將逐一闡述三類建模技術(shù)具體的實現(xiàn)方式和應(yīng)用方式。

1 傳統(tǒng)手工三維建模技術(shù)

傳統(tǒng)的三維手工建模方式可分為三維地形模型、三維灰體模型、三維精細模型等3類。

1.1 三維地形模型的制作

三維地形模型是在已有DEM基礎(chǔ)上疊加DOM影像，通過地形生成軟件將兩者組合，生成三維地形模型，如圖1所示。

圖1 三維地形模型的制作

1.2 三維灰體模型的制作

三維灰體模型是利用地形圖建筑物矢量數(shù)據(jù)和建筑物高度信息及三維模型軟件自動生成，如圖2所示。

圖2 三維灰體模型的制作

1.3 三維精細模型的制作

三維精細模型是基于1∶500比例尺地形圖和高分辨率DOM影像數(shù)據(jù)獲取地物的精準平面位置，通過航測內(nèi)業(yè)獲取地物主體頂部精準高程。采用外業(yè)采集地物紋理照片，使用Photoshop軟件進行紋理照片的處理，使用3ds Max軟件進行手工模型制作。最后，將三維地形模型和三維精細模型進行場景整合[2]，如圖3所示。

目前，已經(jīng)應(yīng)用手工三維建模的方式完成了城市的三維建模工作，如圖4所示。

這種模型的優(yōu)點是測量精度高、場景真實度高、對象已單體化，缺點是建模周期長，難以滿足數(shù)字城市、智慧城市等應(yīng)用對三維數(shù)據(jù)的時間需求。

圖3 三維精細模型的制作流程

圖4 三維精細模型示例

2 三維激光掃描建模技術(shù)

有些地物自身復雜度高且三維可視化要求高，傳統(tǒng)手工三維建模方式就不能滿足其建模要求，此時需要利用三維激光掃描的方式完成工作，如歷史文化保護建模、舊有鋼廠地上管線建模、復雜立交橋建模工作等。三維激光掃描建模方式可分為定點三維激光掃描和車載激光掃描，其技術(shù)原理相似，只是載體方式不同而產(chǎn)生的工作方式不同。三維激光掃描技術(shù)流程圖如圖5所示。

2.1 定點三維激光掃描技術(shù)

定點三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破。利用該項技術(shù)進行了三維模型的建設(shè)，效果較好[3-5]。

圖5 三維激光掃描技術(shù)流程

2.2 車載激光掃描技術(shù)

車載激光掃描技術(shù)是通過將激光掃描儀置于移動平臺之上進行作業(yè)的方式。車載激光掃描測量系統(tǒng)包括：移動平臺、POS系統(tǒng)(位置姿態(tài)測量系統(tǒng))或?qū)Ш絺鞲衅?、測量系統(tǒng)3個基本部分。移動平臺一般是汽車、船舶等用于承載移動測量系統(tǒng)的裝置。車載激光掃描儀器可以在短距離內(nèi)作業(yè)，采集速度快、精度高、密度大，由于其可沿著街道快速行駛，從而可以快速獲取街道兩側(cè)地物的幾何信息和紋理信息，目前已經(jīng)成為城市空間信息快速獲取的主要手段之一[6]。車載激光掃描技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 車載激光掃描技術(shù)流程

通過上述方式，可以快速獲取三維點云數(shù)據(jù)和紋理信息，從而快速得到復雜結(jié)構(gòu)的三維模型，如立交橋。同時，還可以快速獲取街景數(shù)據(jù)，是一種有效獲得城市空間信息的方式。目前，已經(jīng)應(yīng)用車載激光掃描方式獲得了城市主要街道街景數(shù)據(jù)和四環(huán)內(nèi)所有立交橋的三維精細模型[7-9]，如圖7所示。

圖7 立交橋三維模型

通過三維激光掃描方式完成的三維數(shù)據(jù)模型工作，其優(yōu)點是三維模型精度高，缺點是造價高，掃描后的數(shù)據(jù)后期處理工作量大。因此，此種方式主要用于超精細化的三維建模和復雜結(jié)構(gòu)的三維建模。

3 基于傾斜攝影測量的半自動建模技術(shù)

基于傳統(tǒng)手工三維建模和三維激光掃描技術(shù)主要解決模型的精細和超精細的問題，但城市空間信息很多時候有快速獲取的要求，因此，為了達到三維模型快速獲取的目標，引入了傾斜攝影測量技術(shù)[10-11]。原則上，傾斜攝影測量技術(shù)屬于機載三維激光掃描的一種?；趦A斜攝影測量技術(shù)的半自動建模方式可以分為低空傾斜攝影測量建模和中高空傾斜攝影測量建模。其技術(shù)原理相同，只是采用不同航高、不同機型載體，實現(xiàn)不同范圍的三維建模。首先，用機載LiDAR獲取建筑頂部和側(cè)部的激光點云，得到描述建筑物整體框架的激光點云數(shù)據(jù)，用于制作建筑體框模型；使用傾斜和垂直相機分別采集地物影像，通過程序半自動匹配實現(xiàn)紋理貼賦，完成建筑精細模型制作。其關(guān)鍵技術(shù)包括點云的分類算法、點云數(shù)據(jù)與處理、點云數(shù)據(jù)建模方法、POS數(shù)據(jù)解算、傾斜影像空間三角測量、密集匹配、遮擋檢測、紋理選取和紋理映射等[12-14]?；趦A斜攝影測量的半自動建模技術(shù)流程如圖8所示。

低空的傾斜攝影測量建模工作主要采用旋翼機完成社區(qū)級別的三維建模工作，一般航高在100～200 m之間，模型精細度高、建模速度快。中高空傾斜攝影測量建模工作主要采用大飛機作為主要載體完成區(qū)縣級別范圍的三維建模工作，航高一般在1500～3000 m之間。目前，采用六旋翼低空傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)了某社區(qū)的快速三維建模工作，主要輔助于查處違法建設(shè)工作，對于一些隱蔽性好、難以入門的違法建設(shè)采用此方法，直觀而高效。同時，采用A3相機完成了某區(qū)的快速三維建模，用于記錄城市變遷?；趦A斜攝影測量技術(shù)的半自動建模方式獲取三維模型數(shù)據(jù)方式的優(yōu)點是建模速度快、現(xiàn)實感強，缺點是對象單體化困難，只滿足瀏覽需求，數(shù)據(jù)編輯與疊加難度高[15-17]?；趦A斜攝影測量技術(shù)的三維模型示例如圖9所示。

圖8 基于傾斜攝影測量的半自動建模技術(shù)流程

圖9 基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維模型示例

4 應(yīng)用案例

4.1 應(yīng)用于歷史文化保護

應(yīng)用傳統(tǒng)手工三維建模和三維激光掃描的方式對城市區(qū)歷史文化保護區(qū)域進行三維建模，完成舊城保護的信息化措施。建設(shè)的三維模型數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)瀏覽、分析，并與其他二維數(shù)據(jù)疊加分析舊城保護策略，如圖10所示。

圖10 東城歷史文化保護三維模型

4.2 應(yīng)用于教育

應(yīng)用傳統(tǒng)手工三維建模的方式，基于Unity 3D平臺，實現(xiàn)城市小學的室內(nèi)三維建模工作?；诖耸覂?nèi)三維模型疊加管線等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)應(yīng)急路線規(guī)劃、設(shè)施管理等具體應(yīng)用，如圖11所示。

圖11 某小學三維模型

4.3 應(yīng)用于經(jīng)濟發(fā)展

結(jié)合科技園區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展需求，應(yīng)用全三維模式建設(shè)了規(guī)劃土地、企業(yè)統(tǒng)計、產(chǎn)業(yè)布局、項目管理、招商宣傳等9個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，疊加經(jīng)濟業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)和位置雙直觀的方式，而且針對中關(guān)村展示廳的需求，利用傳統(tǒng)手工建模實現(xiàn)了室內(nèi)展廳的建模工作，展示和分析的效果很好，如圖12所示。另外，應(yīng)用三維建模技術(shù)在地下管線、住建業(yè)務(wù)等方面均有不同突破。

圖12 科技園區(qū)三維模型

5 結(jié)束語

本文在詳細論述了傳統(tǒng)手工三維建模、三維激光掃描方式建模、傾斜攝影測量的半自動建模等3種技術(shù)方式基礎(chǔ)上，結(jié)合城市的實際應(yīng)用，對每種技術(shù)的三維數(shù)據(jù)模型應(yīng)用方式進行了闡述。最后，基于豐富的應(yīng)用案例對城市三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)用于歷史文保、教育、經(jīng)濟發(fā)展等方面進行了綜合介紹。三維模型數(shù)據(jù)以其直觀性、客觀性和精準性成為數(shù)字城市建設(shè)中的重要成果，本文是對數(shù)字城市三維模型技術(shù)的一次全面的總結(jié)，也為未來智慧城市的建設(shè)奠定了扎實的數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

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Key Technologies Research and Application of 3D Modeling for Digital City Construction

GUAN Li1，DING Yanjie1，ZHANG Hui1，F(xiàn)ENG Xuebing1，TAN Xiangnong2，ZHAO Jinling2

(1.Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering, Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100038, China;2. Karamay MapWorld Ltd.,Karamay 834000,China)

3D model data has become an important part in the construction of digital city database with its intuitive, objectivity and accuracy characteristics. In order to solve the accuracy and efficiency requirement of 3D model data acquisition, in the process of building digital city, Beijing takes a variety of ways to achieve 3D model acquisition. Utilizing the traditional manual 3D modeling to achieve the accuracy of 3D fine model, utilizing 3D laser scanning technology to realize the accuracy of 3D hyperfine model, utilizing tilt photogrammetry semi-automatic modeling method to achieve rapid modeling etc. From the technical point of view, this paper is a comprehensive summary of the specific technical approach and application methods for 3D model in the process of Beijing digital city construction. 3D model data applied in many fields of Beijing digital city such as historical and cultural protection, education and economic and so on, which lay a solid data base for the construction of intelligent Beijing.

digital city；3D modelling；3D laser scanning technology；oblique photogrammetry monitoring technology

關(guān)麗，丁燕杰，張輝,等.面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測繪通報，2017(2)：90-94.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0056.

2016-04-25；

2016-07-25

關(guān) 麗(1980—)，女，博士，高級工程師，研究方向為空間數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。E-mail: binger02600@163.com

P208

A

0494-0911(2017)02-0090-05