数字城市三维建设与可视化应用

数字城市三维建设与可视化应用

摘要:三维建模技术是城市三维可视化的基础，也是三维城市GIS应用的关键。对城市空间实体三维

建模技术和可视化过程进行深入研究，探讨基于不同数据源的地形和地物的建模方法，并提出了一个城市三维可视化应用系统框架，为城市数字化建设提供了一个有效、可行的方案。

关键词：三维建模；可视化；地理信息系统

城市GIS正从二维GIS发展到三维GIS,城市三维建模与可视化技术是一个研究热点,也是三维GIS应用的关键技术。城市三维可视化系统是指能对城市区域内空间对象进行三维描述和分析的GIS

应用系统,是一个可视现实和虚拟现实集成的系统。随着GIS技术、数据库技术、网络技术、计算机

图形显示技术和硬件的快速发展,三维可视化技术在城市规划、市政管理、公共交通、电力、水利、

旅游等多个领域得到了广泛应用。三维建模与可视化尽管在理论研究和实际应用中取得了很大进展,

但在复杂建筑物建模、纹理提取、信息获取和卫星遥感图像矢量化等方面还有一些问题有待研究解决。

1、数字城市三维模型建模方法

可视化与数据建模密不可分,城市实体三维建模是实现城市三维可视化的关键,城市实体的三维

表达与分析都是重要的研究内容。构成数字城市的各种空间实体在几何结构、内部属性等方面都具有不规则性、不确定性和复杂性,整个城市实体就是一个三维、动态的开放系统。表示地理信息空间数

据的六大要素包括地貌、居民地、植被、水系、道路和境界,对于城市而言,其中重要的是地貌和居民地。从实体建模的角度看,城市模型主要分为地形模型和地物模型两个大类,包括地形、地物以及实体空间位置的几何模型和描述地表覆盖、地物纹理信息等。

1.1地形的三维建模

地形是数字城市中最重要的地理对象,是城市实体的三维空间基础。利用正射影像加数字高程模

型(DigitalElevationModel,DEM)可以生成三维地形的图形表示。数字高程模型(DEM)是地形表面形态的数字表示。DEM是地理信息系统中最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据,也是绘制三

维实体和进行地形分析的重要基础数据。DEM是定义在二维区域上地形特征空间分布及关联信息的一个三维向量(xi,yi,hi)的T次方，其中xi,yi表示地形点的平面位置,hi表示地形点的高程。DEM是

以离散分布的平面点上的高程数据来模拟连续分布的地形表面。

目前,获取DEM数据主要有以下三种方法

1.1.1野外实地测量

这种方法适用于精度高、采集面积较小的场合。其基本过程是根据测量学原理,利用野外测量仪

器和设备测定控制点和采样点的空间位置,选择地形特征点、线进行采样,将测量数据存贮在计算机中。该方法的优点是可以获取高精度的DEM数据,缺点是劳动强度较大、效率较低,不适用于大范围面积DEM数据的获取。

1.1.2地形图数字化

通过对地形图进行扫描,利用R2V和AutoCAD等软件对扫描得到的栅格图像进行矢量化,然后添加地形特征线,最后生成DEM。这种方法所需的原始数据源(地图)容易获取,对作业所需的仪器设备和人员的要求不太高,采集速度也比较快。

1.1.3全数字摄影测量

该方法以航摄立体像对或高分辨率遥感卫星立体像对作为数据源,根据视差模型、自动选配左右影像的同名点,建立DEM。根据摄影测量的基本原理,在解析测图仪或数字摄影测量系统上经过内定向、相对定向和绝对定向等过程,采用自动或半自动方式,按一定的间距,采样出DEM数据。该方法要求具备专业的仪器设备。目前,通过航空遥感能够获取地面高分辨率影像和地物描述信息,从航空遥感影像中自动提取DEM的技术已经成熟,地物信息的提取也实现了半自动化,数字摄影测量技术已经成为从

航空遥感影像中提取地面三维信息的重要手段。航空遥感具有覆盖面小、更新周期长等不足,而航天遥感的发展可以克服上述不足。随着传感器技术的不断进步,卫星影像的分辨率越来越高,航天遥感已经步入了一个能快速提供多种高分辨率对地观测海量数据的新阶段。

利用DEM对地形进行三维建模有多种方法,常用的有正方形格网(Grid)、不规则三角网(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)和混合网(Grid2TIN)等。这些方法都在实际的地形建模中得到了应用。

正方形格网是一种栅格数据结构,它把数字地面模型覆盖区划分成为正方形格网,每个网格的大

小和形状都相同,用相应矩阵元素的行列号来实现网格的二维地理空间定位,第三维为高程信息。正方形格网数据结构、拓扑关系简单,便于存取和处理,算法容易实现,但数据冗余过大,尤其是在地势起伏不大的地区更加明显。不规则三角网是把数字地面模型覆盖区域划分为许多相互毗邻的三角形区块,划分的三角形数量越多,越能反映真实的地貌。不规则三角网的点、弧、面拓扑关系简单,存储结构紧凑,检索方便。不规则三角网数字地面模型根据地形的起伏决定数据量的大小,因而能有效地表达地形的结构特征。在同等精度下不规则三角网地面模型比正方形格网存储效率更高,但其算法实现比较复杂。Grid和TIN二者各有优缺点,适用于不同地形。基于Grid的建模常用于地势平缓地区,而TIN适应于地形破碎、陡峭等地形变化剧烈的区域。在实际应用中,可以采用Grid与TIN相结合的混合网模型。例如,可以首先建立基础的Grid网,如果数据中包含结构线,则将Grid网分解成局部TIN网。

1.2地物的三维建模

在地物模型中主要考虑建筑物、道路、桥梁和水域等地物的建模,而建筑物是城市模型中最关键的地物,它的建模对于三维城市可视化具有十分重要的意义。对于建筑物,人们不只是关心其外形的描述,而且要求知道其几何结构和属性信息,以便对其进行空间分析和不同层的属性查询。建筑物建模分为几何形状建模和纹理映射建模,建筑物的三维几何形体的表达是三维数字城市建模研究中的重要内容。

目前常用的城市地物三维建模方法可分为三种类型:基于二维GIS的建模方法、基于CAD的建模方法和基于遥感影像的建模方法。三种方法在城市三维建模和可视化应用中各有优势和不足。

1.2.1基于二维GIS的建模方法