3维城市模型的数据获取方法评述

文章编号:0494-0911(2000)11-0004-03

中图分类号:P 208 文献标识码:B

3维城市模型的数据获取方法评述

孙　敏1,2

,陈　军

1

(1.国家基础地理信息中心,北京100044; 2.中南工业大学国土测绘所,湖南长沙410083)

Review of Data Capture Method in 3D City Model

SU N M in,CHE N J un

摘要:随着GIS 向3维领域的不断发展,3维城市模型的研究近年得到了飞速的发展,人们在3维对象建模、基于影像的对象重构

以及数据获取方面进行了较深入的研究,其中以对数据获取的研究最为广泛且深入。由于3D C M (City M od el )的建立需要大量的第3维空间数据和纹理数据,如何高效批量地获取这些数据,是3D C M 构建的重要前提。通过查阅大量文献,对目前有关3D CM 的数据获取方法进行了评述,指出了目前3维城市模型数据获取的合理途径。

关键词:3维城市模型;GIS;数据获取

收稿日期:2000-03-10

一、引言

3维城市模型(3D CM )的构建需要真3维的空间数据(包括平面位置、高程或高度数据)和真实影像数据(包括建筑物侧面纹理),而现有2D GIS 中除了2维空间数据之外,并不具有第3维空间数据和纹理数据,如何获取这些数据成了一个难点。所需获取的数据具体为:建筑物高度数据、纹理数据、D EM 数据等。在2D GI S 中一般只有建筑物层数一项属性可以作为高度信息,而建筑物层数所反映的高度信息与实际差别太大,所以需要人们专门获取。为了突出可视的景观信息,3D CM 建立过程中,建筑物等对象一定需要纹理数据(一般为图像),但由于现代城市建筑物往往鳞次栉比,对于一个大型城市来说要获取数以万计的建筑物高度和纹理信息,如果用人工的方法,将是一项十分艰巨的工作。DEM 数据在3D CM 是一种基础数据,如何快速大批量地获取高精度DT M 数据也是目前人们研究的热点。另外,建筑物等的空间3维几何特征,在现有的2D G IS 中很少反映,需要进行专门的获取,目前主要研究从影像进行3维建筑物等对象的几何特征(或几何要素)的提取。下面作者从建筑物高度数据获取、纹理数据获取、DEM 数据获取、3维对象几何要素数据获取以及其他数据获取等几方面进行评述。

二、建筑物高度数据获取

建筑物高度数据获取,目前主要有如下几种方式:1.在2D GIS 数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度[1]

。这种方法获取的建筑物高度数据只是一个估计值,且所有建筑物只能用平顶表达,或者人为地加一个修饰性屋顶(如图1(a ))。

2.用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取(以建筑物屋顶数据为主)

[2]

。通过该方法获取的数据重构的建

筑物形状接近实际,但工作量仍然很大(如图1(b))。

3.以研究算法为主,从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息[3]。这是一种高效的方法,但目前还不适于进行大批量数据的自动处理(如图1(c))。

图1　高度数据获取方法

4.用Airbo rne L aser Scanner 结合空中影像,经过算法处理提取建筑物高程、纹理以及其他数据;该方法获取速度快,但后续处理工作量大,费用可观,是一种很有发展前途的方法(如图1(d))。

5.用L aser rang er finder 结合CCD 相机从地面获取建筑物高度及纹理数据;该方法获取速度快、但工作量大,且后续处理工作量也很大[4,5]。

三、纹理数据获取

由于航空影像很容易得到,因此地形纹理与建筑物顶部纹理较易获取,相对而言建筑物侧面纹理的获取遇到了与建筑物高度获取同样的问题,目前学者们提出的获取方法可以概括为如下几种:

1.由计算机做简单模拟绘制。这种方法采用了矢量纹理,其优点是数据量少、建立的模型浏览速度快,但缺乏真实感(如图2(a))。

2.地面摄影像片直接提取。这种方法需要用相机拍摄大量的建筑物侧面照片,其获取速度慢,且涉及数据量大,后续处理工作量也很大,但所建模型真实感强(如图2(b))。

3.根据摄影像片由计算机生成。对具有相似的纹理的建筑物,使用计算机提取其特征纹理,对这些建筑物进行批

4 测　绘　通　报 2000年　第11期

量处理,可以大大减少纹理获取量和后续处理的工作量,但与前一种相比较,模型真实感较弱(如图2(d))。

4.由空中影像获取。这一方法主要获取地面影像(如图2(c ))。另外,由于在空中影像中也含有部分建筑物的侧面纹理,为了减少工作量可以对这些纹理进行提取并加以处理,但这种方式所获取的纹理变形较大,

真实感也较差。

图2　纹理数据获取方法

四、DEM 数据获取

DEM 数据在景观模型中起着举足轻重的作用,2D G IS 中DEM 一般由离散高程点通过T IN 构造生成,这种方法精度高但获取费时。目前学者们的主要研究方向转向一方面由高分辨率影像获取,另一方面由机载激光扫描仪获取两条途径。现有3D CM 中DEM 数据的获取途径主要有以下几方面:

1.直接使用2D GIS 中DEM 。由于其通过实测高程点构T I N 得来,因而精度最高,但缺点是获取与更新速度太慢,不宜用于构建和维护一个大型3D CM 系统。

2.通过处理航摄影像(包括高分辨率影像)生成。其精度受分辨率和量测手段限制,但获取速度较快。

3.由A ir bo rne Laser Scanner 直接扫描并经后续处理得到。其优点是:直接测量地面要素高程,无须人工干预进行自动快速的数据处理,获取速度最快,且不受天气影响;其缺点是精度低,需要专门处理算法[6]

。

4.用合成孔径雷达(SA R )获取数字高程模型[7]。其优点是:不受白天黑夜以及天气的影响,分辨率高(可以达到水平1.5m ,垂直2m ),但数据获取成本高,目前不易推广。

五、3维对象几何要素数据获取

在城市环境中尽管很多建筑物具有相似的外形,但往往不同的建筑物具有不同的几何外形特征。在2D G IS 中一般只用建筑物的地面轮廓线来表达建筑物,这种表达只反映了建筑物本身很少部分的信息。在3D CM 中除了建筑物的基本平面位置及高度信息外,还需表达建筑物的色彩纹理与几何外形特征,这些几何外形特征往往体现3维对象特别是建筑物对象的独特风格。但由于城市环境中建筑物成百上千,如果逐次用传统测量方法,其工作量之大令人难以忍受。因而有许多学者在如何获取建筑物的几何外形特征(或要素方面)进行了深入研究,具代表性的工作有如下几种:

1.将2D G IS 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[8]。这种方法最简便,同时3维数据量最少,但也与实际相差最大。

2.使用航空影像进行交互式获取[2]。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,工作量相当大。

3.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[9]。这种方式获取速度最快,但获取几何信息不够完整,需要人工作大量后续处理,目前还难以达到实用。

4.在地面使用激光扫描仪与G PS,通过测距求算获取[5]。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。

5.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。

六、其他数据获取

在3D CM 中为了增强真实感,人们还需要考虑以下数据的获取: 植被、大型树木等的相关数据,需要结合野外调查与现有数据库获取或由计算机做简单的模拟绘制,或直接从航空影像中提取; 各种景观中必要的修饰对象数据,需要通过野外调查或人为确定,如雕塑、大型装饰物、云雾参数等。

另外,由于以下数据的获取及表达存在着相当的困难,所以目前的研究工作尚未涉及或很少考虑,但这些对象往往非常重要,也是人们十分关注的,在3D CM 中如何较好地表达这些对象是值得人们深入研究的问题: 道路以及桥梁、过街天桥、人行地道; 各种大型工业设施;各种复杂建构筑物,如露天体育馆、大型雕塑、电视塔等。

七、建议方案

通过以上评述,作者针对几种较典型的不同层次的需求,提出自己的建议,具体如下:

1.简单的3维电子地图

有许多学者在从事3维电子地图的研究[8],为了达到基于3维图形界面的快速浏览的目的,3维电子地图要求以最少量的数据反映较真实的3维城市面貌,同时数据获取成本不能过高,此时数据采集可采用如下方案:

1.只将城市建筑物表达成3维模型,因此只须考虑建筑物的3维数据;

2.建筑物高度数据按2D GIS 的层数求算,一般可按建筑物的不同类型分别给予适当的层高估计值;

3.建筑物纹理易采用颜色代替,或可通过矢量方式添加一定的条纹;

4.不采用DEM 数据。

52000年　第11期 测　绘　通　报