1、,課后思考題匯報,三維數(shù)字城市建模及數(shù)據(jù)獲取,吳 旭 祥,隨著數(shù)字城市技術(shù)的發(fā)展，以二維數(shù)據(jù)為主體的GIS應(yīng)用,已經(jīng)不能滿足城市專業(yè)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式；,引 言,三維城市是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把客觀現(xiàn)實世界中的城市在電腦上模擬出來。但它又具有其自身的一些顯著特點(diǎn)： （1）是對客觀現(xiàn)實世界的真實反映，或者對將來的規(guī)劃。 （2）可包含絕對地理空間坐標(biāo)，具有地理空間定位性。 （3）可以進(jìn)行三維空間幾何分析和屬性分析方面的應(yīng)用。 綜上，可以理解三維城市就是具有三維地理空間信息，反映客觀現(xiàn)實世界或者未來規(guī)劃，具有空間瀏覽、屬性查詢和應(yīng)用分析的綜合信息系統(tǒng)。,城市三維可視化系統(tǒng)是指能對城市區(qū)域內(nèi)空間對象

2、進(jìn)行三維描述和分析的GIS應(yīng)用系統(tǒng),是一個可視現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實集成的系統(tǒng)。 三維可視化技術(shù)在城市規(guī)劃、市政管理、公共交通、電力、水利、旅游等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。,城市三維可視化與數(shù)據(jù)建模密不可分,城市實體三維建模是實現(xiàn)城市三維可視化的關(guān)鍵,城市實體的三維表達(dá)與分析都是重要的研究內(nèi)容。構(gòu)成數(shù)字城市的各種空間實體在幾何結(jié)構(gòu)、內(nèi)部屬性等方面都具有不規(guī)則性、不確定性和復(fù)雜性,整個城市實體就是一個三維、動態(tài)的開放系統(tǒng)。,表示地理信息空間數(shù)據(jù)的六大要素包括地貌、居民地、植被、水系、道路和境界,對于城市而言,其中重要的是地貌和居民地。 從實體建模的角度看,城市模型主要分為地形模型和地物模型兩個大類,包括地

3、形、地物以及實體空間位置的幾何模型和描述地表覆蓋、地物紋理信息等。,引 言,城市三維空間信息的內(nèi)容,城市三維空間信息獲取,野外數(shù)據(jù)采集,激光掃描測量系統(tǒng),攝影測量方法,目 錄,數(shù)字線劃數(shù)據(jù)： 是將空間地物直接抽象為點(diǎn)、線、面的實體，用坐標(biāo)描述它的位置和形狀。,影像數(shù)據(jù)： 包括遙感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像。,屬性特征： 是在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中構(gòu)建城市三維模型所必需的信息 。,數(shù)字高程模型： 即三維地形數(shù)據(jù)，實際上是地表物體的高程信息。,城市三維空間信息的內(nèi)容,衛(wèi)星影像、航空影像和機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)、近距激光掃描數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)及其它存檔數(shù)據(jù)。不同的數(shù)據(jù)源對應(yīng)著不同的三維數(shù)字

4、城市建模方法。,城市三維空間信息獲取,地物要素模型,建筑物模型,地面模型,在三維數(shù)字城市制作中，模型制作的主體包括：,建筑物模型是主體,機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù),航空影像,近距激光掃描數(shù)據(jù),人工測量數(shù)據(jù),三維數(shù)字城市模型的數(shù)據(jù)源主要有：,衛(wèi)星影像,城市三維空間信息獲取,DEM數(shù)據(jù)獲取,建筑物高度 數(shù)據(jù)獲取,三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取,紋理數(shù)據(jù) 獲取,地形是數(shù)字城市中最重要的地理對象,是城市實體的三維空間基礎(chǔ)。利用正射影像加數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)可以生成三維地形的圖形表示。 數(shù)字高程模型(DEM)是地形表面形態(tài)的數(shù)字表示。DEM是地理信息系統(tǒng)中最重要的空間信息資

5、料和進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù),也是繪制三維實體和進(jìn)行地形分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。,（1）直接使用2D GIS中的DEM。 （2）通過數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，處理航攝影像（包括高分辨率遙感影像）生成。 （3）由機(jī)載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到。 （4）用合成孔徑雷達(dá)（SAR）獲取數(shù)字高程模型。,生成方法：,DEM數(shù)據(jù)獲取,獲取DEM數(shù)據(jù)主要方法,這種方法適用于精度高、采集面積較小的場合。 優(yōu)點(diǎn)是可以獲取高精度的DEM數(shù)據(jù)。 缺點(diǎn)是勞動強(qiáng)度較大、效率較低,不適用于大范圍面積DEM數(shù)據(jù)的獲取。,通過對地形圖進(jìn)行掃描,利用ArcGIS和CAD等軟件對掃描得到的柵格圖像進(jìn)行矢量化,然后添加地形特征線,最后生

6、成DEM。 這種方法所需的原始數(shù)據(jù)源(地圖)容易獲取,對作業(yè)所需的儀器設(shè)備和人員的要求不太高,采集速度也比較快。,該方法以航攝立體像對或高分辨率遙感衛(wèi)星立體像對作為數(shù)據(jù)源,根據(jù)視差模型、自動選配左右影像的同名點(diǎn),建立DEM。 已經(jīng)成為從航空遙感影像中提取地面三維信息的重要手段。,野外實地測量,地形圖數(shù)字化,全數(shù)字?jǐn)z影測量,城市三維空間信息獲取,（1）在2D GIS數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度。 （2）用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲取（以建筑物屋頂數(shù)據(jù)為主） （3）以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。 （4）用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)過算法處理提取建筑物

7、高程、紋理以及其它數(shù)據(jù)。,DEM數(shù)據(jù)獲取,建筑物高度 數(shù)據(jù)獲取,城市三維空間信息獲取,城市三維空間信息獲取,建筑物高度 數(shù)據(jù)獲取,三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取,（1）將2D GIS中的建筑物輪廓線與建筑物高度結(jié)合，用簡單幾何體表達(dá)建筑物外形特征。 （2）利用航空影像進(jìn)行交互式獲取。 （3）使用航空影像以及地面攝影對建筑物特征線進(jìn)行自動提取。 （4）在地面使用激光掃描儀與GPS，通過測距求算獲取。 （5）采用近景攝影測量方法，獲取建筑物的幾何形狀數(shù)據(jù)。它不僅可以獲取建筑物外部的幾 何形狀信息，也可以測量其內(nèi)部幾何信息，適用于對單體建筑的量測。對于獲取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，如古建筑的數(shù)據(jù)也是一種比較理想的

8、選擇。 （6）使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行建筑物的自動提取。高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使得人們很容易快速獲取一個實時的、不低于1m分辨率的城區(qū)影像圖。,城市三維空間信息獲取,三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取,紋理數(shù)據(jù) 獲取,（1）由計算機(jī)作簡單模擬繪制。 （2）地面攝影像片直接提取。 （3）根據(jù)航攝像片由計算機(jī)生成。 （4）由空中影像獲取。這種方法主要用來獲取地面影像。,一般是指測繪地形圖的作業(yè)，是對地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程進(jìn)行測定，并按一定比例縮小，用符號和注記繪制成地形圖的工作。,地面數(shù)字測圖,分類：,全站儀,控制測量 碎步測量,RTK,使用成圖軟件制作地形圖,主要儀器：,主要部分

9、：,成圖方法：,常規(guī)儀器的測量采集,野外數(shù)據(jù)采集,三維激光掃描儀（ 3D laser scanner ） 通過發(fā)射激光來掃描獲取被測物體表面三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)度的儀器。,激光掃描測量系統(tǒng),三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology) 三維激光掃描技術(shù)，是通過三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物體的表面三維數(shù)據(jù)；對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算、分析；進(jìn)而利用處理后的數(shù)據(jù)從事后續(xù)工作的綜合技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，它不同于單純的測繪技術(shù)，主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構(gòu)。,采用非接觸目標(biāo)的方法，無需反射棱鏡，對掃面目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體

10、表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠。,非接觸測量,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù),脈沖式激光掃描方法的采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒,而相位式的激光測量更可高達(dá)數(shù)十萬點(diǎn)/秒。,數(shù)據(jù)采樣率高,三維激光掃描技術(shù)可以不受掃描環(huán)境的影響主動發(fā)射激光,通過自身發(fā)射的激光的回波信息來解得目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。,主動發(fā)射掃描光源,三維激光掃描可以快速的獲取高精度,高分辨率的海量的點(diǎn)位數(shù)據(jù),就可以高效率的獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo),從而達(dá)到高分辨率的目的。,高分辨率、高精度,通過直接獲取數(shù)字信號采集數(shù)據(jù)的,所以具有全數(shù)字特征,方便進(jìn)行后期處理和輸出,且它的后期處理軟件與其他軟件有很好的共享性。,數(shù)字化兼容性好,多學(xué)科融合,涉及現(xiàn)代電子、光學(xué)、機(jī)械、控制工程、圖像處理、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、軟件工程等技術(shù)，是多種先進(jìn)技術(shù)的集成。,激光掃描測量系統(tǒng),航空影像是建筑物重建的主要數(shù)據(jù)源，它是三維城市數(shù)據(jù)獲取最經(jīng)濟(jì)快捷的方法之一。,航空攝影測量aerial photog