三维GIS课件(三维城市模型数据的生产工艺与质量控制)

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纹理与几何数据的统一
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在3DCM的数据表达中，纹理可代替部分几何细节的表 达，并能有效提高场景的逼真度，这也是3DCM与二维 GIS在数据内容和可视化表达上的一个重要区别。
无纹理材质
有纹理材质
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由于几何细节生产复杂且成本较高，而大量纹理数据 的使用又影响系统效率；同时，纹理只能在一定的视 距下保证可视效果，而几何数据的表达没有这一问题。 因此，如何平衡3DCM的几何与纹理数据是研究其数 据内容需要考虑的一个重要问题。
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• 适普公司的IMAGIS 可 以自动建立比较简单 的模型，也有一些编 辑功能，可以做出比 较复杂的模型，并有 100多种建筑物的屋顶 模型。
三维城市模型的数据生产工艺
三维城市模型的数据生产流程 中国地质大学（武汉）信息工程学院
DPW摄影测量数据 三维几何模 型数据生产 GIS数据 DEM 3DCAD数据
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三维建模有很多，而且相关的新软件不断 出现，目前比较通用的建模软件有国外的 AutoCAD、3DMAX、MultiGen等。 国内也出现了类似的产品，如灵图公司的 VRMap、适普公司的IMAGIS等。
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• AutoCAD致力于模型的精 细和机械的完整，它做出 的数据是目前的工业标准 ，有精确的材质定义和大 量的属性数据。AutoCAD 绘图的目的是通过模拟复 杂的数据设计规则来生成 工程图，广泛用于工业设 计制造行业。
多 媒 体 属 性 数 据
三维城市景观模型
三维城市建模流程图
三维城市模型数据生产计划
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确定数据内容及其细节程度 通过集体研究，确定对总的目标真正最重要的有限事物， 进而对需要三维建模的地物进行分类并设计每类地物应 具有的属性数据项内容和结构；
任务分解 对工作区进行分区，并对分区进行命名和编号，便于全 面准确把握、管理整个工作任务。
三维 模型
三维 场景
接受者对 现实世界 的认识
图1. 三维空间信息传输模式
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三维城市模型作为数码城市的骨架，不仅仅包括地 形、地物（建筑物、交通网络，植被等）的三维空间 几何表达，而且还包括这些地物的纹理特征（对地形 来说，其纹理特征就是相对应的DOM）以及其他的 相关属性信息。
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摄影测量数据自动建立的三维几何模型存在各种观测误 差，需要人机交互式编辑和整饰工作。基本过程的步骤： （1）完整性编辑； （2）拓扑结构编辑，包括目视检查、特征码与用户码编 辑、冗余面编辑、冗余模型编辑、拆分体相邻边的缝隙 编辑、建筑物顶部三角网的编辑； （3）建筑物顶部同高编辑； （4）建筑物边缘垂直与平行编辑； （5）建筑物共面编辑。
三维城市模型数据的获取
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在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。这种方式获取速度也 较快，且所获取几何信息相当精确，但工作量相当大，是一种具有发展前景 的方法；
• 根据搭载平台的不同，激光扫描系统可以分为： 1. 地面激光扫描系统 2. 车载激光扫描系统 3. 机载激光扫描系统
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三维符号模型分为三类： 具有几何形态的不变性和表面材质纹理的相似性， 具有重要的形状和位置特征，可重复使用，如电杆、 路灯模型等； 具有几何形态的随机性和表面材质纹理的相似性， 具有重要的大小和位置特征，通过纹理图像表示，如 树木等； 具有几何形态与表面材质纹理表示的随机性，通过 特定的随机函数模拟，如喷泉等。
三维GIS
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三维城市模型数据的生产工艺 与质量控制
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院
主要内容：
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• 三维城市模型的数据内容与细节程度 • 3DCM数据的获取与建模方法 • 三维城市模型的数据生产工艺
• 三维城市模型数据生产的全面质量控制
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地物类创建与多媒体属性数据生产
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•逼真三维几何模型不是真正意义上的地物实体对象 •需要进一步根据实地调绘资料确定各个几何对象之 间的关系，将属于一个特定实体对象的所有几何对 象组合成一个特征地物。 •一般地物直接根据实际情况进行组合即可，对一些 不需要严格区分的地物，可将多个明显不同的几何 对象组合成一个特征地物，其整体属性以适当信息 说明。
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• MultiGen-Paradigm公 司和ESRI公司联合推 出的产品 SITEBUILDER 3D， 可以根据Arc/Info二维 数据以及建筑物的高 度属性自动的重建三 维模型，不过目前 SITEBUILDER 3D自 动建立的模型还只是 平顶的立方体式的模 型，不能有效的表达 屋顶的各种复杂形态 。
生产地物表面逼真纹理的方法： 简单的纹理图像可利用相似的颜色或材质等由 计算机进行模拟，或直接从建筑设计大量采用的 纹理材质数据库中选用；
从高分辨率遥感影像获取； 进行实地拍摄。
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纹理数据产品的制作过程需满足以下条件： 确保主要的正面纹理完整真实，特别是地物临大街 或道路的主要侧面； 影像在裁剪过程中应保持清晰，减少产生影像模糊 的操作； 保持侧面纹理在水平视线上的正射状态，尽量减少 影像的扭曲变形； 影像大小一般控制在512*512范围内，且像素数在长 宽方向上尽量为2的幂；
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• MultiGen建模主要是为了 做视觉仿真，对于建筑物 的屋顶等复杂对象，提供 了丰富的模型库供选择。 它做出的模型可以根据需 要进行实时简化，并且可 以将任意的多边形数据以 一种高效率的结构组织， 还能保存视觉仿真的控制 元素。它的缺点是建模周 期大，成本高。
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多种细节层次的三维几何模型数据生产
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细节程度最低的模型是常规的二维数字地图、数字 正射影像及数字高程模型数据的符合，可宏观表达一 个城市在平面上或在地形表面上的基本景观特征，但 没有全面直观的三维表示；
现代数字摄影测量技术已能重构具有详细建筑细节 和顶部结构的模型，但对于一些丰富的建筑细节仍要 在此基础上进行大量人工交互建模才能完成；
– 结合现有2DGIS 中的大量城市信息，通过添加一些补充信息， 即可很好地建立城市三维景观模型。
• Kofler (1998)指出：
– 计算机城市(Cybercity)是一个小型真三维GIS 系统，是城市环 境三维数据的存贮、操作以及可视化等多种技术的发展。
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3DCM的应用
交 通 规 划
环 保
3DCM
CAD建模方法
• 产生于20世纪50年代后期 ，目前广泛使用在工业设计 、建筑规划等领域 • 从二维到三维的空间数据处 理都取得了很大的进展 • 注重设计，面向未来
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使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行 自动提取。这种方式获取速度最快，但获取几何信 息不够完整，需要人工做大量后续处理，目前还难 以达到实用； 使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。 高分辨率影像卫星的出现，使得人们很容易快速获 取一个实时的，不低于1m分辨率的城区影像图，对 于高分辨率卫星影像目前可用要素法非常有效地判 别建筑物，因而是最有发展潜力的一种方法。
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三维城市模型数据的获取
• 2D到3D：从隐喻到直观 • 三维数码城市的信息载体 • 三维数码城市的基本表现手段
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三维城市模型数据的获取
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将2D GIS中的建筑物 轮廓线与建筑物高度 （由层数计算或其他方 式得到）结合，用简单 几何体表达建筑物外形 特征。这种方法最简 便，同时三维数据量最 少，但也与实际相差最 大；
3DCM的定义或描述
• Ranzinger和Gleixner (1997)提出：
– 3DCM 是计算机对一个城镇内所有固定对象(如建筑物、植被、 交通道路、水系) 的特别表达，它包含从任何角度观察每一个 对象的所有信息，还有方便于辨认的主要特征，它是一种整个 城镇的CAD 模型。
• Schilcher (1998)等学者提出：
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三维城市模型数据生产的全面质量控制
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1、三维城市模型数据质量分析
数据从采集、加工、存档到使用，每一步都可能引 入误差。如果了解不同处理阶段数据误差的来源和 特点，在每步数据处理过程中都能做质量检查和控 制，就可以大大减少误差。误差分为系统误差和随 机误差（偶然误差）两种。系统误差一经发现易于 纠正，而随机误差则一般只能逐一纠正或采取不同 处理手段来避免。
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数字影像 数字摄影测量工作站 影像定向参数 建立立体模型 控制点坐标
人工选择地物类和用户码 人工测量建筑物顶部 轮廓特征点/线 图纸
检查 编辑 修改 质量检测与元数据 文件记录
导出ASC文本格式数据
交互式数字摄影测量采集城市三维数据流程图
逼真表面纹理图像数据生产
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表面几何自动重建 几何模型编辑 纹理图像采集
模型嵌入
表面纹理图像 数据生产
纹理图像处理
纹理映射 多媒体属性数据录入
三维城市模型 数据库
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特征编码 数据
数字高程模型
3DS/MAX 三 维设计模型
实地拍摄 纹理影像
图 象 处 理
正射影像
贴 面 纹 理 影 像
三维建模与编辑平台 数据转换、模型编辑、 纹理映射、属性定义
地 质
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三维城市模型数据生产的内容包括数字地面模型 （Digital Elevation Model，简称DEM）、数字正射 影像（Digital Orthoimage Map，简称DOM）、城市 固定地物的三维模型数据（3D City Model Data，简 称CMD）、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。
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三维城市模型的数据内容与细节程度
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三维城市模型不仅以三维的形式表示城市景观，而 且还能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材质 参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三 维城市模型的数据内容。
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三维城市模型 数据内容
现实世界
wk.baidu.com
设计者对现 实世界的认 识
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数据处理 航片、卫片资料 数据源 现有地图资料 纹理数据 属性数据 数字化过程 三维城市模型数据生 产过程 数据采集 数据建模 误差来源 几何变形、灰度变形 地图数据精度、地图变形、地图印刷误 差 纹理映射误差 属性逻辑误差 数字化仪器、数字化操作人员、数字化 操作方式、坐标转换 数据采集仪器、数据采集人员、定向精 度、数据采集方式 数据格式转换
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• 3DMAX目前的主要用途在 制作动画方面，由于它的 交换格式3ds文件能有效 的描述大多数三维模型， 所以已经很多软件都支持 这种格式，有的还把 3DMAX模型作为自己的主 要数据源。但3DMAX模型 没有属性信息，也不支持 自动建模。
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三维城市模型
DEM
DOM
地物三维模型数据
多媒体属性数据
图2、三维城市模型数据生产的内容
2、细节层次（LOD）
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LOD是三维场景表达的一个重要研究内容，主要研究 如何在减少所需要绘制的数据内容和几何细节时，保 证观察者无法感知场景细节程度的降低，主要实现方 法与相关因素包括剪切、距离、大小、偏心率、物体 运动速度等。
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地物侧面纹理图像中其他地物的遮挡需要消除； 保持工作区内所有纹理影像色调的均衡； 纹理文件名称在整个数据采集区域内必须保持唯一， 工作区名称+地物编号+地物侧面编号； 确保纹理数据与几何面对应关系的正确性； 如果不同表面的纹理影像接近，则尽量使用相同的 纹理数据。
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使用航空影像进行交互式 获取。由于航空影像真实地 反映了城市建筑的所有顶部 信息，同时也反映了建筑物 的部分侧面信息以及大部分 建筑物附属信息，因而可以 运用数字化结合人工交互的 方式获取建筑物的外形特 征。这种方法能较真实地获 取所需要的信息，但由于需 要人工干预，工作量也是相 当大的；