張 敏，金 花

（1.安徽工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

數(shù)字城市涉及大規(guī)模存儲技術(shù)、遙感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、三維圖像建模技術(shù)等，對城市進行多角度、全方位、可視化描述，實現(xiàn)城市過去、現(xiàn)在、未來的數(shù)字化表征。數(shù)字城市包含多個層次，但其基礎(chǔ)是城市地理空間數(shù)據(jù)集合[1-3]，而三維立體景觀作為城市地理空間數(shù)據(jù)集合的重要組成部分，三維立體景觀設(shè)計方法研究對加快我國城市數(shù)字化進程具有現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的三維立體景觀設(shè)計方法多集中于實際地物的信息采集與三維建模或者借助三維建模軟件進行虛擬化實現(xiàn)，針對小范圍或者單獨的三維立體景觀設(shè)計，上述方法具有較好的可行性，但是針對大規(guī)模、協(xié)調(diào)性的城市全域三維立體景觀設(shè)計，傳統(tǒng)方法效率較低、整體把握性差、抽象性不足、可擴展性較差，無法滿足要求日益提高的城市三維立體景觀整體布局設(shè)計需求[4]?；谏鲜霰尘?，利用立體正射影像對的三維可量測、立體觀測性強、全域描述性等特性，提出了一種基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法，核心步驟包括原始遙感圖像的預(yù)處理、數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建、正射影像對的生成、三維立體景觀的生成等步驟，為了便于推廣使用，在VS2012[5]環(huán)境下開發(fā)了對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，輸入城市相關(guān)參數(shù)即可便捷的給出城市三維立體景觀設(shè)計方案。選取國內(nèi)某三線城市，對基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法進行實際驗證，驗證結(jié)果表明，基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法可實施性較好，對協(xié)調(diào)城市整體三維立體景觀布局、優(yōu)化城市景觀環(huán)境具有重要作用。

1 城市原始遙感圖像的預(yù)處理與空間定位

通過遙感技術(shù)獲取的城市原始圖像存在周期性的噪聲和大量冗余、山體陰影等，為了實現(xiàn)遙感圖像的精確空間定位，需要對城市原始遙感圖像進行預(yù)處理[6]。針對周期性的噪聲和大量冗余問題，采用帶通或者槽形濾波器進行濾波處理；針對山體陰影問題，采用比值法對其進行消除?；贛atlab環(huán)境[7]，對上述過程進行編碼實現(xiàn)，處理效果對比圖如圖1所示。

圖1 城市原始遙感圖像的預(yù)處理示意圖

遙感圖像處理完成后，需要進行空間定位，考慮到目標城市的規(guī)模和具有標識意義的地表建筑，采用基于遙感圖像線特征提取的三維空間定位法，具體步驟如下：S1：選擇經(jīng)過預(yù)處理后的遙感圖像中帶有標識意義的地表建筑，可以選取道路、河流、廣場等，對這些地表建筑進行線特征提??；S2：對提取到的線特征進行圖像增強、邊緣細化、邊緣追蹤、中心點定位等處理，保證線特征長度、拐角數(shù)目等滿足線特征的閾值要求；S3：對滿足閾值要求的線特征進行實際匹配，先進行層次匹配，然后進行檢測匹配，所有匹配完成后形成匹配集；S4：根據(jù)匹配集進行遙感圖像的定位。上述過程基于C++語言，在VS2012環(huán)境下實現(xiàn)的核心代碼如下：

2 數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建與正射影像對的生成

數(shù)字高程模型（DEM）采用一組有序的數(shù)值陣列來描述地面高程的實體模型，該實體模型包括數(shù)字化的各種地貌因子，包括起伏度、起伏變化率、坡向、坡度在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布值，是生成正射影像對的基礎(chǔ)[8-10]?；跇?gòu)建效率和光滑度的考慮，采用克呂金內(nèi)插法來構(gòu)建數(shù)字高程模型，詳細過程如下：S1：基于遙感圖像的定位數(shù)據(jù)集，繪制出遙感圖像的定位分布散點圖；S2：根據(jù)分布散點圖的分布樣點數(shù)和均勻程度，選擇常規(guī)克里金插值或者塊克里金插值法，根據(jù)采樣點間的距離和采樣點的整體空間分布情況進行合理插值；S3：根據(jù)生成的DEM范圍，進行樣點數(shù)據(jù)集的外接矩形繪制，最終生成數(shù)字高程模型；S4：對生成的數(shù)字高程模型進行標記處理，標記出低洼地帶并檢查是否有失真現(xiàn)象。在VS2012環(huán)境下進行編程實現(xiàn)，實現(xiàn)的效果如圖2所示。

圖2 基于克呂金內(nèi)插法的數(shù)字高程模型構(gòu)建效果圖

數(shù)字正射影像具有精確的平面位置，包含有完整而豐富的影像信息，具有較強的二維直觀性，為了把這種優(yōu)勢擴展到三維，引入人工視差輔助機制，把具有明顯優(yōu)勢的數(shù)字正射影像與數(shù)字高程模型下的立體輔助影像進行組合，形成立體正射影像對，從而實現(xiàn)具有直觀性的高精度的三維立體景觀。如圖3所示，左圖用于生成數(shù)字正射影像，方法是根據(jù)數(shù)字高程模型上的定位高程值映射到遙感圖像上，根據(jù)控制點坐標進行數(shù)字影像內(nèi)定向，最后按圖廓線裁切得到一幅數(shù)字正射影像圖，并進行地名注記、公里格網(wǎng)和圖廓整飾等。右圖用于構(gòu)造虛擬的立體模型，根據(jù)數(shù)字高程模型給出的起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等地形情況引入人工視差，利用人工視差反應(yīng)數(shù)字高程模型的地形起伏情況，從而形成一個立體輔助片，并與正射影像構(gòu)成立體模型。

圖3 正射影像對的生成原理示意圖

3 三維立體景觀的生成

根據(jù)上文生成的正射影像對進行三維立體景觀的生成，基本原理是把正射影像對中的三維影像與三維立體景觀進行映射處理，詳細步驟如下：S1：根據(jù)城市三維立體景觀設(shè)計需求制作對應(yīng)的正射影像對并生成三維影像，作為三維立體景觀設(shè)計的比照影像；S2：根據(jù)比照影像的地形起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等情況，分別設(shè)計對應(yīng)的三維立體景觀與比照影像的地形起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等相適應(yīng)；S3：三維立體景觀建筑物紋理優(yōu)化和地表附屬植物上色處理，為了使三維立體景觀設(shè)計更具真實感，需要對建筑物紋理進行優(yōu)化，紋理數(shù)據(jù)主要來源于城市實際建筑物，采用精細建模，確保獲得較為逼真的表達效果，由于植物種類多樣，顏色各異，為了協(xié)調(diào)三維立體景觀的整體色彩，需要配置合適的植物種類，需要進行地表附屬植物上色處理；S4：三維立體景觀后期處理，根據(jù)城市布局，各方面意見等進行適當(dāng)調(diào)整。

基于上述方法，借助地面分辨率為0.5m的某三線城市衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及其空間定位集參數(shù)，進行數(shù)字高程模型的構(gòu)建與正射影像對的生成，生成的數(shù)字高程模型網(wǎng)格間距為12m，基于正射影像對，對影像上的標識建筑物進行三維坐標量測，形成精確的標識建筑物量測數(shù)據(jù)集，作為三維立體景觀設(shè)計的數(shù)據(jù)參考集。以某三線城市某小區(qū)木質(zhì)走廊三維立體景觀設(shè)計為例，遵循上述方法，設(shè)計效果圖如圖4所示。從圖4可以看出，三維立體景觀設(shè)計效果較好，在視覺紋理性、真實感、色彩協(xié)調(diào)性等方面滿足要求。

圖4 三維立體景觀的生成效果圖

4 三維立體景觀生成軟件設(shè)計

為了提高三維立體景觀的設(shè)計效率，同時進一步實際驗證上文所提方法的有效性和實用性，本文在vs2012環(huán)境下通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件（.dll文件，把立體正射影像對構(gòu)建方法封裝為動態(tài)鏈接庫文件，供主界面調(diào)用）的形式開發(fā)了一款通用三維立體景觀生成軟件，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)通用原始遙感圖像的預(yù)處理與定位、數(shù)字高程模型的構(gòu)建與正射影像對的生成、三維立體景觀比照影像的生成與設(shè)計等功能，本文主要利用的是Windows7操作系統(tǒng)平臺，采用的硬件設(shè)備CPU為英特爾酷睿i5，主頻3.2GHz，系統(tǒng)運行內(nèi)存為16GB，存儲空間2TB，網(wǎng)絡(luò)帶寬18M獨享。系統(tǒng)實際運行主界面如圖5所示。

圖5 通用三維立體景觀生成軟件主界面示意圖

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)三維立體景觀設(shè)計模式存在的效率低、真實感差、視覺紋理性差等不足，無法適應(yīng)大規(guī)模城市三維立體景觀設(shè)計需求等劣勢，本文提出了一種基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法，實現(xiàn)以可量測的形式快速構(gòu)建三維立體景觀模型并實現(xiàn)了一款新型的三維立體景觀生成軟件，以某三線城市某小區(qū)木質(zhì)走廊三維立體景觀設(shè)計為例，進行實際測試，實際測試表明，系統(tǒng)在功能上對打破傳統(tǒng)三維立體景觀設(shè)計模式、提高三維立體景觀的設(shè)計效率具有積極意義，在性能上運行穩(wěn)定，功能模塊之間劃分合理，較好地完成了預(yù)期設(shè)計目的，具有一定的實際推廣價值。