三维城市模型

数字地形模型建模技术 ArcGIS 环境 数字地形模型

数字地形模型的类型

三种数据格式类型：
网格数据类型（RASTER）

TIN数据类型
DTM数据类型（TERRAIN）
—— 网格数据类型（RASTER）

可构建金字塔结构（多分辨率），栅格数据结构。
4 3 3 1 3 1 2 4 5 5 1 2 3 1 3 5 6 4 4 4 3 5 6 7 5 4 4 3 7 7 8 6 6 7 2 5 7 7 7 8 7 4 3 6 5 6 6 6 4 3 （a）离散高程点 （b）规则格网点 6 5 5 1 2 3 5 5 6 6

3DCM的数据内容
交通及其附属设施：
道路：
道路中央有一定宽度的隔离带的主要干道 道路中间标示有明确的中心线与道路车道分割线的主要道路 城市普通道路
道路几何数据
道路边界线，人行道边界，人行道相对中心道路的高度，道路中
心线，斑马线多边形边界和道路隔离带边界线等
道路纹理数据
作用：河流的边界；湖泊的边界，山脊线、山脚线，谷底线。

C、mask 多边形（面，产生有多种约束条件）
Clip polygons （多边形内建模）常用于边界剪裁。
Erase polygons （多边形外建模）落入多边形的数据不参加建模。常用于计算体积。
Fill polygons (对落入多边形内的三角形统一赋一个整型属性值)。 地形高程不受影响，也没有剪裁和插除发生。
的开发； 通过空间数据引擎ArcSDE访问后台的空间数据 库；非GIS功能采用VB.NET来开发，并通过 ADO.NET来访问属性数据库。
系统架构图
系统功能结构
空间分析模块
空间分析模块




缓冲区分析：根据选定的管线设施与设定的影响范围，生 成影响区域； 断面分析：显示管线的纵横剖面图分析管线空间位置关系。 显示地面的高度、管线的埋深、用相应的颜色显示管线的 等级、标注管径； 连通分析：通过任意选择两根管段，判断它们是否连通； 追踪分析：对一定范围内单条管线的网络追踪，确定该管 线所经过的管点和管段信息； 爆管分析：当综合管线在某一位置出现故障时，系统能够 通过网络分析查询到事故点周围需要紧急关闭的各类阀门， 确定所影响的用户，能打印相关通知单。

TIN to RASTER RASTER TO TIN TERRAIN TO TIN TERRAIN TO RASTER
——DEM格式的比较
（1）网格DEM Raster数据格式（文件目录、数据库管理） 网格值可作为高程使用 精度随CELL的大小影响 可支持大型DEM生成 支持金字塔结构 显示速度快，ARCSCEN，ARCGLOBE均可显示。 可有高程点生成、不支持等高线生成
三维城市模型

ＧＩＳ的发展
借鉴虚拟现实技术在逼真感知方面给用户更多
的自由度
虚拟GIS、虚拟现实GIS——数码城市
GIS——三维实时GIS
逼真的三维城市环境
——三维城市模型
三维城市模型特点：
集成一维、二维和三维的可视化空间数据模型，支持
多种类型、多种分辨率的海量空间数据库的一体化管 理； 支持多重细节层次概念LOD，具层次建模和实时模 型简化能力； 支持交互式三维动态可视化，甚至沉浸式的双目立体 现实； 支持三维空间分析与空间决策、时空模拟等； 支持网络环境下的信息共享与地理协同。
多边形三角剖分建立三角网，从DEM得到边界 高程建立模型
线状水系：
从DEM得到线上各点高程构建为三维的线对象
行道树和树林转换方法：
行道树：转化为三维的点对象，每个点对象关联一
种树的纹理图像
成片树林：按地界类以一定的排列方式自动生成一
片点状的树对象。
四、三维城市模型——创建
地形建模 管线建模 地物建模 三维分析 可视化
适用于在大范围城市地区快速获取地面模型和建
筑物模型
三、三维城市模型——建模方法

DCM建模方法：
基于二维GIS的三维城市建模方法 基于影像的三维城市建模方法 基于激光扫描的三维城市建模方法 CAD建模方法
基于二维GIS的三维城市建模

建模方法
三维模型构建——二维GIS基础
模型真实感差，对城市景观信息的表达少； 没有DEM，所有地物立足于一个假定的水平面上；
内容组织
三维城市模型——数据内容 三维城市模型——数据源与数据获取 三维城市模型——建模方法 三维城市模型——创建

地形建模 管线建模 地物建模 三维分析 可视化
一、三维城市模型的数据

数据内容
特征实体：离散、同质、有明确的空间边界
具有特定的三维特征，可用三维体元表达

数字地形模型实例 实例一：端氏镇.avi 实例二：1.avi
三、三维城市模型——建模
地形建模 管线建模 地物建模 三维分析 可视化

三维管线建模

显示三维管线和三维地形需要的数据：
有平面坐标和高程值的各类管线数据、井以及阀
门等管点附属设施数据
基础矢量数据 三维地形数据（DEM） 遥感影像数据（DOM）
光滑

趋势面内插：
使用多项式和最小二乘内插最佳拟合曲面。能很
好识别粗糙的、有一定大小的地面对象，使这些 对象内插后比较突出。

（2）克里金算法：基于数学和统计模型
λ的取值不仅取决于数据点到预测点的距离，还受数据点 的空间分布影响（使用自相关统计模型）。处理地形变化 的复杂因素，考虑比IDW周全。
——TIN DEM的生成方法
（1）DEM的生成 ——Create TIN From Feature工具

（2）DEM精化处理
在地形突变部位，使用一些约束条件，如断裂线、
地性线等，以及一些面，如湖面、建筑物地面平 地等，对湖、河的岸线、公路的边坡、建筑物的 地基等进行处理。 断裂线：三维的线或面，具XYZ三维坐标，属性 项具高程属性值。
管线数据库

综合管线数据库：各类管线以及附属设施数 据。
管点数据：井、出水口、阀门、闸和消防栓等 管段数据：排水、电力、通信、工业、燃气管线
等 图纸数据：设计图、施工图、竣工图等。 在三维管线系统中，管线数据还必须具有准确的 平面坐标和高程信息。
综合管线数据管理系统：
用ArcGIS Engine组件提供的接口进行功能模块
Soft line
应用：具有高程值的管线； 或高程值具有可变值的道路。

hard break line
线：三角形的边界，多数为自然边界 用于坡度不连续区域。扑捉地形突变部分，改善
显示效果。

特点：
影响TIN的坡度变化，特别是变化突变部位； 线段可以使用不同的Z值

同位置和不同位置的hard break line(断层问 题):
Байду номын сангаас
区与街道高出于地表的偏移量H
根据多边形边界及其包围范围内的DEM格网点建立不
规则三角形网络
建筑物转换方法：
房屋底面修正：房屋底面点中最低的点的高程——
DEM起伏不平
高度，DEM内插得到房屋角点高程 若无高度属性和楼层属性，对建筑物按大概高度分
为若干类，转换时赋予不同的高度
建筑物屋顶面：屋顶边缘点和内部特征点连接成三
水泥、沥青、碎石等

3DCM的数据内容
交通及其附属设施：
桥梁
单层、双层桥梁；立交桥、人行天桥等
桥梁几何数据
桥面及桥墩 桥面边界线、桥面中心线、桥面厚度、桥墩中心点坐标、桥墩几
何形状、护栏高度等
桥梁纹理数据
同道路

3DCM的数据内容
交通及其附属设施：
交通附属设施——模型库
（2）TIN DEM 矢量数据格式（文件目录管理，但没有属性表） 精度高 小型DEM 不支持金字塔 显示速度慢，ARCSCEN，ARCGLOBE均可显示。 可有高程点、等高线生成
（3）TERRAIN DEM GEODATABASE格式（数据库管理） TIN方式构建 精度高 可支持大型DEM生成 支持金字塔结构 显示速度快，ARCSCEN不支持，ARCGLOBE可显 示。 可由高程点、等高线生成

搜索半径定义及适合地区

使用线状图形约束搜索范围。搜索的数据点不会 跨越约束线。
地形约束断裂线

ArcGIS中的工具（栅格内插或地理空间分析工具， 及其它算法）

自然临近法：
类似IDW，区别在与权值由荻洛尼三角形确定。
适合大数据集内插。

样条函数：
使用多项式和最小二乘内插最佳拟合曲面，曲面
场实体：具有光滑的连续空间变化
缺少明确定义的三维特征，用连续的三维表面如TIN
进行表达

3DCM的数据内容
地形：
地表高程：DEM模型 影像信息：数字正射影像

3DCM的数据内容
建筑物及其附属设施：
几何数据：
主体部分 屋顶部分 附属部分
纹理数据
标准纹理 人工采集纹理
DEM和二维GIS结合
DEM为地物承载体表达地表起伏
基于二维GIS的三维城市建模

数据处理过程
按层单独建模，地物类别批量处理； 转换原则：
先建立面状地物（街区、街道）模型 再建立其他地物模型
基于二维GIS的三维城市建模
街区和街道转换方法：
获取街区和街道边界线相应顶点的高程信息，设定街
——Terrain DEM的生成方法 Geodatabase格式的DEM，支持LIDAR的 LAS文件格式。 以TIN为数据结构，支持金字塔结构，适合处 理大型DEM建立。 要求XYZ测量单位一致。

工具：new terrain，或使用三维分析工具中的
CREATE TERRAIN。
——DEM格式之间的转换方法
角网
建筑物侧面：相邻两个屋顶点和两个房屋脚点组成。
植被转换方法：
从DEM获取边界点高程和内部DEM格网点，建立一
个三角网曲面模型；
道路转换方法：
紧贴地表：与植被方法相同 高出地表：设定高度后用与街区相同方法
水系转换方法：
面状水系：双线、湖泊、水库、塘等
有明确边界，范围不大，水面近似水平——平面
5 4 4 5
（c）数字高程矩阵
—— TIN数据类型

单一分辨率表达。矢量数据结构。
——DTM数据类型（TERRAIN）

用TIN数据结构表达地形表面。是一个多分辨 率的TIN。
数字地形模型的生成方法

网格DEM的生成方法 TIN DEM的生成方法 Terrain DEM的生成方法
交通信号灯 道路指示标志 路灯等

3DCM的数据内容
公用设施：
地上或地下管线 独立地物等

3DCM的数据内容
植被：
低矮的绿色植物：草地、花丛、灌木
绿地外围边界，绿地纹理模型
有一定高度的植物：城市树木
树木三维模型
植被几何数据
独立树木、成片树木 中心点坐标、高度、树冠半径；多边形边界、平均高度、平均

房屋的层数可作为房屋的近似高度。
管线勘测点的埋深和地形高程可作为三维管线的高程数据。
B、三维测量数据
（1）地形测量
（2）GPS测量
（3）摄影测量与遥感
A、航空摄影测量
B、卫星立体测量：
（4）三维激光扫描
数字城市移动扫描仪

遥感影像和机载激光扫描系统——最具潜力 三维城市模型数据获取方法
—— 网格DEM的生成方法：

根据离散数据采集点内插DEM
（1）IDW算法：距离加权函数的倒数方法
假设地形表面由局部变化影响，数据点分布均匀，而不
是群落分布
适用于地面变化较缓地区 由临近数据点预测目标点
zi (
j 1
^
n
1

p
j
zj)
j的个数n由给定的搜索半径确定，λ是距离函 数，p次数从0到3，确省为2。 搜索半径可以固定（需给定最小点数），也 可是变量值。
树冠半径
植被纹理数据——树木影像

3DCM的数据内容
水体
二、城市三维模型的数据源

A、高程数据
（1）地形的散列数据点（高程以属性存储）
（2）等高线（高程以属性存储）
（3）三维激光扫描的点云数据 三维地形 建筑物高度、形状数据

每个激光点具有XYZ三维坐标
（4）城市房屋、综合管线数据 地形测量和管线勘探测量——获取高程信息 以属性表形式存储
约束作用的断裂线
使用和不使用断裂线的结果比较

断裂线的类型
soft break line 线：三角形边界，多为自然边界，或人工边界线 特点： 具有Z值的曲线； TIN的边界分界线，三角形边界； 不改变TIN的坡度变化和TIN的形状。
Mass pppp[pointpoin t