数字城市三维建模理论与方法的研究

数字城市三维建模理论与方法的研究 河南理工大学本科毕业论文 前 言 人类进入了21世纪，以计算机科学为基础的信息技术极大地改变了人类生活的方式。数字城市的概念来源于数字地球，数字城市也是数字地球的重要组成部分。同时数字城市也是信息技术发展的必然趋势，毫无疑问，城市景观重建是数字城市的首要步骤和重要内容。以3S(GPS、 技术为基础，运用三维GIS技术实现城市三维景观重建，构建三GIS、RS) 维GIS系统广泛应用于国土资源管理、城市规划、公安、电力、电信、旅游等众多领域。 随着城市化进程的进一步深入，城市建设和管理所需要解决的问题的复杂性和需要处理信息的广义性，都是前所未有的。在城市信息化建设过程中，二维空间数据一直作为空间信息基础设施框架重要的数据内容，二维GIS在城市规划、交通、市政等各领域都有非常广泛的应用，但二维数据很难表现城市三维空间形态的多样性和复杂性，使用传统的空间数据是难以表现城市空间地物的形态以及相互之间的关系。城市三维空间信息则具有直观性强、信息量大、内容丰富等优点。 三维GIS作为一种能够综合地处理各种空间和属性信息的工具在城市规划、国土监测、交通管理、辅助决策等方面都有广泛的应用，随着人们对三维GIS的认识的不断深入，对城市三维信息需求的不断增加进而提出了三维城市模型的概念。通过对三维GIS中三维城市模型理论及相关的技术方法的探讨，对今后三维城市模型的研究有更为深刻的认识，为今后的工作提供指导。 I 河南理工大学本科毕业论文 摘 要 数字城市是数字地球建设中的重要节点，在实现数字地球计划中占有举足轻重的地位。数字城市建设随着计算机水平的提高，目前正向三维数字城市方向快速发展。自“数字地球”的概念提出以来，在国际国内已引起广泛的关注。数字城市作为数字地球的一个节点，是数字地球中一个不可缺少的重要组成部分。数字城市的建设不仅仅是城市地图的数字化和大比例尺地图测绘、计算机化，它有自身的技术体系。因此，进行相关技术的研究和理论的探讨对数字城市的建设不仅是必要的，而且是必须的。 本文首先研究和分析了国内外数字城市的研究现状和发展，指出三维数字城市是未来数字城市建设的必然，接着介绍了城市三维模型所需要数据的来源以及获取数据的手段，然后又给出了数字城市三维模型原理和关键技术，最终介绍了数字城市三维建模的常见方法及优缺点。 关键词:数字城市;空间数据库;三维城市;地理信息系统 II 河南理工大学本科毕业论文 Abstract Digital City is an important node in the Digital Earth, a pivotal position in the realization of the Digital Earth occupies the computer raise program. Construction of digital cities with the level of the forward three-dimensional digital city direction of rapid development.Since the concept of "Digital Earth",has caused widespread concern in the international and domestic. Digital City as a node of the Digital Earth Digital Earth, an important and indispensable part of.Construction of digital cities is not only the digital and large-scale map of the city map mapping, computerized, it has its own technology system.Therefore, the related technology research and explore the construction of digital cities is not only necessary,but must be. This paper studies and analyzes the status and development of domestic and international digital cities,pointed out that the 3D digital city of the future digital city construction inevitable, then introduced the city's three-dimensional modeling of data sources and means of access to data.Then introduced the three-dimensional model of the digital city modeling principles and key technologies. Final common method of three-dimensional modeling of the Digital City. Key words: Digital City;Spatial database;3D City;GIS III 河南理工大学本科毕业论文 目 录 1 绪 论 ................................................... 1 1.1 引言 ................................................... 1 1.2 研究背景、目的及意义 ................................... 2 1.3 国内外研究现状及发展趋势 ............................... 3 1.3.1 国内外研究现状 ..................................... 3 1.3.2 三维建模技术发展趋势 ............................... 4 2 数字城市三维建模数据的获取 ................................. 6 2.1 数字城市三维建模的数据源 ............................... 6 2.1.1 规划建筑物的设计图纸和文档资料 ..................... 6 2.1.2 城市地形图、地籍图和2D GIS数据库 .................. 6 2.1.3 摄影测量方法获取的城市几何、影像、纹理及语义数据 ... 7 2.1.4 利用激光扫描技术获取建筑物的几何数据 ............... 8 2.1.5 卫星遥感 ........................................... 8 2.1.6 合成孔径雷达 ....................................... 9 2.1.7 多数据源集成 ....................................... 9 2.2 数字城市三维建模数据的获取 ............................ 11 3 数字城市三维建模理论 ...................................... 13 3.1 数字建模的基本原理 .................................... 13 3.1.1 几何建模 .......................................... 13 3.1.2 纹理建模 .......................................... 14 3.2 城市建模中所存在的问题 ................................ 14 3.2.1 几何建模存在的问题 ................................ 15 3.2.2 纹理建模存在的问题 ................................ 15 3.3 三维数据模型 .......................................... 15 3.4 拓扑关系 .............................................. 17 3.5 尺度问题 .............................................. 18 4 三维建模的关键技术 ........................................ 19 4.1 高分辨率对地观测技术 .................................. 20 4.2 海量数据存储和互操作 .................................. 20 4.3 计算机宽带网络 ........................................ 20 4.4 可视化、虚拟现实技术 .................................. 21 4.5 数据挖掘(DATA MINING，DM) ............................... 21 4.6 地理信息系统(GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM，GIS) ............ 22 i 河南理工大学本科毕业论文 4.7 决策支持系统(DECISION SUPPORT SYSTEM，DSS) ................ 23 4.8 系统集成(SYSTEM INTEGRATION，IS) .......................... 23 5 几种三维建模方法 .......................................... 25 5.1 基于DEM与影像的城市三维景观重建方法 .................. 27 GIS的三维景观重建方法 ......................... 27 5.2 基于2D 5.3 基于真三维数据模型的方法 .............................. 28 5.4 基于AUTO CAD三维建模方法 .............................. 29 5.5 基于OPEN GL开发 ....................................... 29 6 结论与展望 ................................................ 30 致 谢 .................................................... 32 参考文献 .................................................... 33 ii 河南理工大学本科毕业论文 1 绪 论 1.1 引言 进入21世纪，以测绘学、地理学、遥感科学、信息科学、计算机科学、空间探测和数字通信、管理科学等诸多学科的广泛交叉为特征，以计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、科学计算、可视化与虚拟现实技术、空间数据仓库技术、人工智能技术、计算机视觉、土地、经济与商业管理等技术为 [1]支撑的数字信息技术在众多领域产生了深远的影响。 [2]“数字城市”的概念源于“数字地球”概念的延伸。是数字地球中一个不可缺少的重要组成部分，它是城市基础地理信息和其他城市信息结合并存储在计算机网络上的能供用户访问的一个新的虚拟城市空间。美国副总统戈尔于1998年1月21日提出了数字地球的概念后，有专家认为，所谓数字城市至少包含二个层面的内容，其一是在地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)基础上建立的计算机内的数字三维城市，其内容是将城市中的一切自然景观、建(构)筑物、道路、立交桥、水气管道、水库、公园、工厂、学校等的分布、形态、属性等数据按照一定比例尺以数字化形式构建于计算机中，形成三维城市模型，这也是一般意义上数字城市的含义;其二是指以三维城市模型作为界面加载各种专题信息系统，提供各种信息服务。如城市规划系统、城市交通管理系统、城市GPS导航系统、城市综合减灾系统、市长决策系统、以及其他各部门建立的专业性信息管理与决策系统等，随着专题应用内容的不同，各应用领域将根据各自的需要在数字三维城市的基础上补充相关的内容。这两者的结合就是未来数字城市的基本表现形式，对于未来的城市信息服务具有十分重要的意义。 1 河南理工大学本科毕业论文 1.2 研究背景、目的及意义 随着科学技术的进步，社会发展己经进入了以数字、网络等为标志的全方位信息化时代。广泛开发各类城市资源并实现资源共享，加强和推进城市信息化建设，将成为推动城市走向现代化的动力。自1998年戈尔在加利福利亚科学中心召开的Open GIS Consortium年会上正式提出“数字地球”概念以来，在世界各国得到了广泛的响应。城市，是现代人类的主要聚居地，是地球表面人口、经济、技术、基础设施和信息最为密集的地区，随着经济的快速发展，城市化将成为21世纪经济发展最重要的进程。因此，“数字城市”是数字地球网络系统的核心，是数字地球技术系统的关键和难点，所谓数字城市，是指综合运用计算机数字化手段(GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术)对城市的基础设施、功能机制进行全方位的数字采集和处理，具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、优化决策的强大功能，用于重大决策的效果预演和对未来发展预测的技术系统，又称网络城市，或智能城市，更确切的说是信息城市。 三维城市用于城市规划，可以使城市未来形态预演，业己消失的形态重现，并可根据规划成果随时修改，从而获得城市规划 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 调整的科学依据，使城市规划更具前瞻性:三维城市用于城市管理，可以完成城市灾害事故和突发事件的动态模拟，实现城市各类信息的可视化查询，为政府对城市的管理和服务等提供决策的现代化工具;三维城市用于旅游，不仅可以展现城市现有景观，而且能够再现不复存在的和正在规划建设中的景点，从而对城市起到宣传作用，有助于扩大城市影响、吸引投资和游客;三维城市用于城市环境动态变化研究，可以将大量的统计数据转换成容易理解的图像，表现人类活动对环境施加的压力，预测不同人类活动条件下的环境效应。随着许多行业如:地质、矿山、海洋、 2 河南理工大学本科毕业论文 城市地下管线、城市空间规划、城市景观分析、无线通信覆盖范围分析等对三维GIS的需求日益迫切，3D GIS的理论和应用近年来受到许多学者的关注，是未来GIS发展的一个极其重要的方向;3D GIS与Internet及虚拟现实的结合将把GIS的应用提高到一个空前的水平，是实现“数字地球”、“数字城市”的关键技术，必将成为世界各国争相抢占的科技制高点。 1.3 国内外研究现状及发展趋势 1.3.1 国内外研究现状 20世纪90年代以来，作为新的城市理念和战略，“数字城市”开始席卷全球，并成为从技术科学到社会科学多学科探讨的领域。数字城市的研究方兴未艾，从Internet以及有关专业资料的了解可知，数字城市相关技术已经开始应用于很多领域。美国、加拿大、澳大利亚等国家约在五年前就开始了“数字城市”的综合建设试验，新加坡首先提出“智能城市”的设想，并在积极进行中。在美国大约有50个城市正在或计划建设数字城市。许多发达国家也纷纷开始“数字社区”和数字城市的综合建设试验。例如，芬兰计算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的新未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，成为世界上第一个虚拟城市;日本的“东京都地域情报化基本计划”，且日本已经建成一批“智能化生活小区”、“数字社区”的示范工程;新加坡准备环绕240平方英里的岛屿，铺设一条光缆，为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线，将新加坡90%的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、上剧院、电影院、上学校、去图书馆、去医院等，实现“网上生存”的梦想;德国的Rostock大学、Stuttgart大学等研究机构目前正联合研究三维GIS在数字城市模型中 3 河南理工大学本科毕业论文 的应用，对一些城市进行的空间对象进行了分类和表示，研究，建立了数字城市模拟系统。 近年来，国内三维GIS的研究也取得了很大进展。国家基础地理信息中心、北京大学、中国地质大学、国防科技大学、武汉大学等许多科研机构在三维城市模型、多维动态GIS空间数据处理技术、三维可视化技术等研究中取得了很多成果，解决了一些三维GIS的关键技术。同时也出现一些相应的三维GIS产品，如武汉武大吉奥信息工程技术有限公司的CCGIS4.0数码城市系列软件、武汉适普公司开发的IMAGIS三维可视地理信息系统、北京灵图软件技术有限公司的三维地理信息系统平台 [3]VR Map 2.X等。 总之，对于作为三维GIS和数码城市核心问题之一的三维空间数据模型的研究，虽有所进展，但目前还未进入到实用阶段，主要是以某区域的应用和实验性研究为主。三维GIS所采用的数据模型，应该不仅能表示几何信息，而且能够直接或者间接描述拓扑关系，在纹理映射方面，应该具有操作栅格影像的能力。 1.3.2 三维建模技术发展趋势 由于城市三维景观主要是人造建筑物，所以三维建筑物信息的获取与建模是城市建模的主要内容。近年来一些新的建筑物三维重建方法陆 [4]续被提出来，其主要的趋势是: (1)数据的多元化、多线索和多信息的引入和融合。新的信息或数据源的引入将降低问题的难度，这一点已经基本形成共识。 (2)提取过程中知识的运用渗透到从低级到高级处理的各个层次，在识别匹配推理过程中则大量引入人工智能的新理论与新方法，如不精确推理、非单调推理等。 4 河南理工大学本科毕业论文 (3)建筑物模型的多样化，如参数模型、棱柱模型、多面体模型以及构造实体几何模型(CSG)等，并且提取策略逐渐由单纯的模型驱动或数据驱动转向二者混合运用。 根据这些趋势，目前的典型研究主要有:从城市影像中自动提取建筑物，检测二维建筑物和DEM数据、知觉组合、线条分析、使用阴影、透视几何等辅助信息牌、直接对建筑物或表面进行建模、基于知识的系统少，以及通过影像测量并结合物体的几何知识构模出多面体对象模型的方法等;将地面与车载激光扫描系统用于三维城市重建和局部区域空间信息获取:基于机载激光扫描系统的三维重建方法;利用三维深度传感器、多CCD相机和彩色高分辨率数字相机获取的数据实现建筑物建模;利用虚拟现实技术实现三维GIS数据的可视化。其它方法如人机交互下的半自动三维建筑物建模等。 总体上看，人们更多地把注意力放在获取原始数据和实现三维可视化的技术手段上，而有关三维数据模型、三维数据库建设和管理等研究目前相对较为薄弱，这正是三维GIS进一步发展的关键所在。 5 河南理工大学本科毕业论文 2 数字城市三维建模数据的获取 2.1 数字城市三维建模的数据源 数据是系统运行的关键，一个地理信息系统的建设，80%是数据建设，可见数据在GIS中的重要性。相对与2D GIS而言，3D GIS增加了空间对象的第三维信息，从而导致描述空间对象几何数据的剧增。为了实现空间对象的真实表达，还要求获取建筑物的立面真实像片作为其表面纹理数据，从而导致数据获取难度和工作量成倍增大，如何快速自动地获取城市空间对象的3D几何数据、像片纹理数据、语义属性数据一直以来是建立3D GIS的瓶颈之一。 城市中存在着众多的数据源，不同的数据源决定着数据获取的内容、 [5]格式、精度和建立城市三维模型的方法的不同，这些数据源包括: 2.1.1 规划建筑物的设计图纸和文档资料 作为城市三维建筑物的一种最初的基础参考资料，它包含建筑物各部分的详细信息，但从中提取3D几何建模所需要的数据时，需要人工判读和输入大量数据，为把3D模型放在地理参考框架中，需在实地完成和地面控制的联系，因此工作量巨大，这种方法仅适合于少量建筑物的建模。也可以把根据3D建筑设计软件包形成的3D设计模型直接通过接口导入到GIS系统中，但这种模型只能用于可视化目的，无法对其进行空间操作和查询。 2.1.2 城市地形图、地籍图和2D GIS数据库 这些数据源不仅含有3D建模所需要的几何信息:如地理目标的位置、建立DTM所需要的等高线或高程点、建筑物的屋顶形状、建筑物占地边界与面积、屋顶的倾斜、屋顶边缘的方向、建筑物的高度、层数等 6 河南理工大学本科毕业论文 属性信息，而且含有丰富的属性和语义信息，如建筑物的用途、材料、建筑物的建筑年代、名称、结构、权属等。城市中的现有纸质模拟地图可通过数字化仪、扫描仪等工具结合专业软件转化为数字地图和2D GIS中的数据。但这类数据源缺少建筑物垂直面的几何和纹理信息。 2.1.3 摄影测量方法获取的城市几何、影像、纹理及语义数据 数字摄影测量不仅可以为建立三维城市模型提供丰富的几何和像片纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。摄影测量能够有效地产生具有拓扑结构的几何数据，记录语义信息，对有明显轮廓的建筑物，能够提供很高的三维重建精度。从数字航空影像立体像对中还可测得建筑物的高程以及建立地表面DTM，且具有以下优势: (1)适合于大面积数据获取; (2)可灵活对待LOD及精度，具有高精度目标重构的潜力; (3)可获得高度的完整性; (4)在量测城市目标时不存在安全问题; (5)允许及时地量测; (6)在立体模型上放置矢量数据，保证方便地检验和交互性地数据库更新; (7)提供附加的影像库，提供像片纹理映射及生成真正正射像片的可能性。 但航空摄影测量在建筑物稠密区域有遮掩现象，不能有效提供建筑物立面的几何和影像纹理数据，这些缺陷可以通过其它数据获取手段(如地面摄影)加以补充。正因为如此，摄影测量是目前3D数据获取的具有吸引力的方法之一。 7 河南理工大学本科毕业论文 2.1.4 利用激光扫描技术获取建筑物的几何数据 高精度激光扫描仪能够获取物体表面高解析度的数字距离影像;影像中包含被扫描物体大量的球面坐标信息，这些坐标可转换到笛卡尔坐标系中，并进一步作用于有关3D的应用中。利用激光扫描可以构建建筑物的3D几何模型，建立DTM，与其它数据获取采集方法结合，同时获取像片纹理数据，因此是很具有发展前途的一种3DCM数据源。 2.1.5 卫星遥感 随着美国亚米级商业卫星系统的建立，卫星遥感己进入一个高分辨率、高精度、高时间分辨率、多光谱、低费用的时代。高分辨率遥感影像保证了地面的资源、环境、社会与经济的主要内容都可以清晰可见，可以为城市3D城市模型的建立，提供详细、丰富的几何和语义信息数据，是生成正射影像数据(DOQ)和DEM的重要数据源;其高精度特点实现了以前只有用航空像片才能达到的精度，保证影像对于较小目标特征的识别更加有效，高分辨率和高精度两者结合起来使得卫星遥感影像得以深层次应用;高时间分辨率意味着可短期重复获得同一地区的影像，从而保证获取数据的动态性，实时性和现势性;低费用则使用户买得起，用得上。所以高分辨率卫星影像将是未来最具有发展前途的3D城市模型数据来源。1米级卫星影像数据在军事上的应用早己不成问题，甚至厘米级的技术水平也已经达到。在民用上美国政府已授权商业卫星系统在1998年早些时候提供1米分辨率的遥感卫星，但此项计划由于技术上的原因被推迟了。计划中发射的1米分辨率的民用卫星见表2—1。 表2—1美国计划发射的遥感卫星 Tab.2-1 U.S.plans to launch remote sensing satellite 卫星名称 Early Bird Quick Bird Orb view CRSS GDE系统 公司 Earth Watch Earth Watch Orb image Space imaging com GDE系统公司 全色分辨率 3 1 1 1 1 8 河南理工大学本科毕业论文 多波段分辨率 15 4 4 4 4 成像带宽(公里) 30 10-20 4-15 11 15 轨道高度(公里) 470 470 460-470 680 700 重复成像周期 2 2 2-3 3 2 工作寿命(年) 5 5 2-5 5 5 2.1.6 合成孔径雷达 合成孔径雷达(SAR)是一种全天时/候的微波成像雷达，不仅可以详细地、较准确地观测地形、地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表和自然植被收集地表下面的信息。它是从空间对地观测的一种有效手段，能够产生地面目标区域或地域的高分辨率地图。干涉合成孔径雷达(INSAR)可以用于获取地球表面高分辨率的三维地形图或等高线图，监测一些自然现象导致的地势变化。机载SAR系统可以提供最高分辨率的DEM，而星载SAR则可以提供较大的数据覆盖。由于SAR干涉测量具有全天候工作、不受观测地域上空大气、云层等限制，只需极少数控制点，高分辨率进行图像处理和广泛的应用范围等特点，因此INSAR技术成为当前遥感界研究的最新课题，也是城市高程数据及地表DTM模型的很有发展潜力的一种数据源。 2.1.7 多数据源集成 以上几种数据获取方法各有特点, 同时又存在着各自的局限性。航空摄影测量和遥感虽然可以提供目标的几何特征、语义特征、像片纹理等数据，但获取的主要是建筑物顶面的信息，漏掉了建筑物立面的大量几何和纹理信息。而地面摄影则只能获取建筑物立面的信息;彩色摄像机具有较快的成像速度且提供的彩色图像具有较高的分辨率，但难以提供环境的三维描述，而LRF(Laser Ranger Finder)获取的距离图能很好地提供场景的三维描述，但其精度低，通常图像含有较多噪声等。不同的数据获取手段之间往往存在着互补性，因此利用多数据源的集成方法 9 河南理工大学本科毕业论文 来建立3D城市模型一直是人们关注的焦点。比较具有代表性的研究成果有:T.SADA,et al.(1998)提出了一种用静态摄像机和GPS RTK 的混合系统来测定地面点的三维坐标及影像纹理的方法;R.Wurlander,et al.(1996)根据摄影测量和3D计算机图形方法构建DEM，实现地形可视化;Gunter Pomaska(1996)提出了基于多影像摄影测量的3D模型的建立方法。根据地面摄影测量和航空摄影测量组合获取3D城市模型数据，然后利用Auto CAD建立建筑物3D模型，再对其进行真实像片纹理映射，生成高度真实感像片纹理3D模型;Claus Brenner，et al.(1998)提出了(地形图、地籍图)+(激光扫描)+(地面摄影)的多数据源组合建模方法,即从平面图(地形图、地籍图)和空中激光扫描的数字表面模型(DSM)中获取建筑物3D几何数据，地面摄影测量获取建筑物立面像片纹理数据。用SCG法进行3D重构所得到的3D几何模型辅以纹理映射，从而形成建筑物的照片纹理真实感3D模型:V.A.Knyaz(1998)提出了一种为根据激光扫描仪获取的3D模型建立真实纹理的方法(激光扫描+近景摄影测量)，用静态或动态摄像机获取3D距离模型的纹理参考点的距离信息用于在3D模型相关坐标系中对数字影像外定向，然后产生模型的正射像片，并给出了建立像片写真模型的硬件和软件，以及利用激光扫描技术进行建筑物3D重构和贴加纹理的结果。 Zhongchao shi(1998)介绍了一个根据数字相机和模拟相机拍摄像片经扫描及Photo-CD组合的3D建筑物可视化数据生成系统，Armin Gruen(1998)提出了一个由不同数据源(航空影像、地面影像及地图)混合构成城市模型的框架。T.E.CHEN and R.SHBIASAKI(1998)提出了一种根据现有GIS数据库及规划建筑物的文档资料结合数字摄影测量技术进行3D数据获取的方法，从2D GIS数据库和建筑物文档资料获取数据，借助3DS、Auto CAD或Open GL进行建筑物的3D模型，然后把其镶嵌到由 10 河南理工大学本科毕业论文 CCD相机拍摄的背景影像中，产生一种逼真的城市景观图。相机的方向参数的确定基于从GIS数据库中提取的一些明显的水平和垂直线:Sabry F.EL—HAKIM,et al.(1998)设计了一种集成了激光扫描仪，模拟CCD相机及数字彩色相机的数据采集和记录系统—DCR系统，3D数据既可以采自Lasern Range finder，又可以来自摄影测量重叠的2D像片。纹理数据直接来自距离传感器，摄影测量像片或全部来自高分辨率数字彩色相机。 2.2 数字城市三维建模数据的获取 为简要地说明3D城市建模所需数据类型及获取方法，把有关内容如 [6]-2表示: 下 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 2 表2—2三维城市建模所需要的数据类型及获取手段 Tab.2-2 Type of 3D city modeling the data needed, and access to means 数据类型 数据获取手段 在2D GIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度 建筑物的 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) 高度数据 以研究算法为主,从影像中直接提取建筑物高度以及其它信息 用机载激光扫描仪结合空中影像,经过算法处理提取建筑物高程 用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物高度 由混合测量系统获取 由INSAR获取 根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据 建筑物的几 将数字地图或2D GIS中的建筑物轮廓线与其高度(由层数计算或其它方式得到)结合,用 何要素数据 简单几何体表达建筑物外形特征 使用航空影像进行交互获取;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 在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获 使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取 由混合测量系统获取 由移动测绘系统获取 建构筑物 由计算机生成 及地面的 根据航空摄影像片获取 纹理数据 根据卫星遥感像片获取 11 河南理工大学本科毕业论文 根据地面摄影像片直接获 用机载激光扫描仪结合空中影像，经过算法处理提取建筑物顶部纹理 用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物立面纹理 由移动测绘系统获取 根据地形图上等高线及高程数据生成 DEM数据 直接使用2D GIS中的DEM数据 通过处理航摄影像生成 由机载激光扫描仪直接扫描并经后续处理得到 用SAR/INSAR获取 规划设计图纸、地形图、地籍图 其他数据 现有2D GIS数据库 野外调查与现有数据库的结合 计算机简单模拟绘制 在当今数字化程度越来越高的时代，地理信息系统中包含的信息再也不能只局限在2维或2.5维，必须将真实的三维世界表现出来,这是数字地球时代的必然，也是传统GIS的一次飞跃。随着空间信息技术的发展，新的问题也必将随之出现，新问题的出现也将促使多门学科的结合，数据获取手段将越来越丰富，数据精度也越来越高。张祖勋院士在2003年 年会的 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 中论述了用低空直升机对街道两侧建筑物进行摄影，亚洲GIS 在相片处理过程中同时获取建筑物几何数据和纹理的方法，该方法在与日本的合作中获得了“令人意想不到的效果”。 在具体应用中，究竟采用何种数据采集方法，并没有一个定论，应根据需要综合考虑多方面如:数据精度、时间、经济因素等的因素后采取合适的方案，达到最优的效果。 12 河南理工大学本科毕业论文 3 数字城市三维建模理论 3.1 数字建模的基本原理 城市建模应该分为几何建模(geometrical modeling)与纹理建模 [7，8](texture mapping)两部分组成，具体包括: (l)正射影像和DEM构成三维地形。 (2)由房屋的几何模型和纹理构成三维建筑物。 (3)以及三维的植被(森林)与其他地物所组成。 其中(3)的纹理一般用虚拟建模来实现，计算机图形学的不断发展对此已经作出了极大的贡献，在此不做详细讨论。对于(l)和(2)，根据要求、原始资料的不同，城市建模的方案也不相同。例如有的城市建模对地面的纹理要求不高，正射影像采用TM图像和DEM构成;反之，应采用航空影像。又如欧洲的屋顶结构非常复杂，如果要对屋顶进行建模，就必须应用航空摄影的影像;反之，若对屋顶的三维建模要求不高，房屋的几何建模可以由数字线划图实现，房屋的高度根据楼层的数目进行估计。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由空中对地观测，不能清晰地反应房屋的墙面纹理，当前解决墙面的方法多是以地面摄影的方法获取。随着空间定位与激光技术的发展，由空中对地进行激光扫描的数据，在几何建模中的作用将会愈来愈重要。因此城市建模的原始资料、方案、途径很多。 3.1.1 几何建模 几何建模包括数字地面模型DTM的建立与地物三维空间数据的提取。DTM可以从航空立体影像对或高分解率卫星立体影像对采用影像匹配技术自动提取(有时也需要一些人工编辑)，也可以利用己有的地图扫描数字化的矢量化等高线、采用等高线保形的DTM内插法生成。在数字 13 河南理工大学本科毕业论文 城市中，基本上还是采用矩形格网的DTM。地物(主要是房屋)三维空间数据的获取可利用航空航天立体影像对，目前主要是在数字摄影测量系统上以人工立体量测的方式提取。若对屋顶的三维建模技术要求不高，也可利用已有地图扫描数字化的矢量数据(或者地面测量数据或者GIS中已有的矢量数据)。若获取的矢量数据只是二维的，则房屋的高度需要根据楼层数推算。在获取地物的三维空间数据后，要将其组成面与体，以便于后续检索与可视化处理。 3.1.2 纹理建模 生成具有真实感的城市三维景观，就需要在城市地形表面粘贴真实的纹理影像。地面纹理主要来自利用航空影像制作的正射影像。当地面的纹理要求不高时，可采用精纠正的卫星影像(如TM、SPOT及IKONOS图像等)，对于小的区域，也可采用地面摄取的影像。对于建筑物而言，由于其顶部在影像上一般都可见(被周围高大建筑物遮挡的除外)，因此其顶面的纹理可以从航空影像提取，部分墙面的纹理也可以从航空影像提取。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由高空对地观测，不能清晰地反映建筑物的墙面纹理，目前解决墙面纹理的方法多是以地面摄影的方法获取，即对每一墙面摄取影像，由人机交互量测影像中墙面的角点，并切割、映射，从而得到墙面纹理。 3.2 城市建模中所存在的问题 如上节所述，城市建模的途径很多，在技术上似乎也不复杂，似乎也很容易实现，但事实不然。目前城市建模的问题很多，我们可以归纳[9]为: (1)创造几何实体是一个非常累人的工作，而对于一个城市来讲，城市三维建模工作量太大，对硬件的要求太高，工作周期太长。 14 河南理工大学本科毕业论文 (2)对于所建立的规划模型如单体的建筑很难完成与周边环境的融合，因而大大降低工作效果。 (3)因为漫游需要实时完成，需要代价比较高昂的高性能硬件绘制设施和显示设备。 其次，城市规划领域在展示规划效果与设计方案时，主要是通过实地踏勘结合建立规划/建筑模型、规划表现图、动画制作等方式进行，但这些方法都存在缺陷。简单地说，就是工作量大、资料量大、成本高、结果还不尽满意。具体而言，还是能分解为两类:几何建模的问题与纹理建模的问题。 3.2.1 几何建模存在的问题 从表面上看，似乎几何建模问题已经解决。但是实际上，建筑物(特别是屋顶)建模依然是手工操作，建模的自动化或半自动化问题还远未解决。目前有些发达国家已经考虑采用激光扫描(laser scanning—Lidar)资料来重建“三维城市”可以直接建立城市三维的数字地面模型(DTM)，其平面点位密度可以达到1m(甚至更密)，高程精度可以达到30cm(甚至更高)。但是如何与影像配合，从如此密集的高程信息提取规则的面，重建屋顶，以及提取其他信息(如农田)，其问题非常复杂，远没有解决。 3.2.2 纹理建模存在的问题 墙面纹理的重建，多数采用在地面上对墙面进行摄影——在此将它称为“基于墙面的摄影”，然后进行纹理的映射。在实地对建筑物进行摄影是一个十分困难的问题:摄影机到建筑物的距离限制、遮挡严重、效率低下。如何改变摄影方式、提高效率、减少遮档、遮挡的自动处理等都是城市建模中急需解决的重要课题。 3.3 三维数据模型 15 河南理工大学本科毕业论文 模型是对现实世界中事物或现象的简化、抽象与模拟，它建立在人们对事物或现象认识的基础上，同时又是进一步获取客观规律的方法和手段。不同模型反映了人们不同的认识观念、应用目的和分析方法。在2D GIS建模中，空间信息按照分层聚类的思想进行组织，每层表示一个主题，层与层之间通过统一的地理空间坐标进行匹配:在3D GIS建模中，地物的位置和形态都处于三维空间立体中，它们各自占有自己的空间， [10]此时，立体的地理空间是一群空间对象的集合。 空间数据模型是关于现实世界空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和空间数据库的设计提供基本的方法，因此对空间数据模型的认识和研究在设计GIS空间数据库的过程中起着举足轻重的作用。三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了现实世界中三维空间实体及其相互间的关系，对它的认识和研究在很大程度上决定着3D GIS的发展和应用的成败。 最初的3D建模是从CAD和计算机图形学领域发展起来的，其核心是建立研究对象的模型并生成该对象的图形以及对其进行各种操作和处理。建立模型是对研究对象进行分析与模拟的基础。几何模型描述本质上具有几何特征的实体，因而适于用图形来表示。物体的几何模型就其复杂程度来说可以分为3类:线模型、面模型、体模型。线模型用物体的棱边表示物体:面模型用物体的各个面来表示其形体，它是在线模型的基础上增加“面一边”的拓扑关系而得到的，主要用于表示物体的外壳;体模型则是通过体素或边界等完整地描述一个物体。 对于一个面向专业的三维GIS来说，其数据模型的设计应考虑以下因素: ?易于与二维的点、线、面的数据结构相结合; ?数据量少，易于建模; 16 河南理工大学本科毕业论文 ?具有较好的数理逻辑性，易于建立和管理拓扑关系; ?易于实现可视化和数据操作。 3.4 拓扑关系 建立和维护空间元素的拓扑关系是GIS区别于CAD的主要特征之一(李青元)，它使得各种空间操作与信息查询易于实现。但是当GIS在由二维向三维扩展时，遇到的一个首要问题是怎样建立三维拓扑关系。CAD中也研究空间几何体的拓扑关系，但多偏重于单个机械零件的体、表面、棱与顶点间的关系:而三维城市模型除了各模型内部的拓扑结构，还包括各模型间的相互关系，如何建立并维护这些拓扑关系，将直接影响基于其上的空间分析。 很多学者从不同角度对其进行了研究。Molenaarm和Fritschd提出了基于形式化描述的三维矢量模型;韩国建、郭达志用改进的线性八叉树表达地下三维体;李荣兴用CSG树表达三维实体间的几何关系;M.Pilouk、陈晓勇提出基于Deluanay剖分的四面体体元充填模型:陈军、郭薇从点集的9交模型研究三维拓扑关系的完备性;龚健雅、夏宗国提出矢栅混合的面向对象模型;李德仁、李清泉提出八叉树与四面体格网结构(TEN)结合模型;李青元基于“子面分解的困惑”提出“一面三层”概念。 现实世界中各类对象之间存在着非常复杂的空间关系，而数据模型仅能而且只能表达几种基本的空间关系(否则不能成为一种数学模型)，仅通过模型所表达的几种简单的拓扑关系推求实际生活中所需要的各种空间关系，目前不仅在二维环境中最困难的(Bernhardsen，1999)，在三维环境中其理论更是一个难以解决的问题。 事实上，在GIS中现有模型所能表达的拓扑关系十分有限，二维平面的拓扑问愚违没有很好地解决，三维问题中究竟哪些问题要用到三维 17 河南理工大学本科毕业论文 拓扑关系，目前尚无统一的定论。因此，在需要拓扑关系时进行实时计算不失为另一种解决方法。而且，已有学者提出建立动态拓扑关系的算法。 拓扑关系的表达往往限制了模型的灵活性，并给系统的修改及操作带来一定程度上的复杂，因此，有的学者主张对拓扑关系采取实时求算的方式。例如Auto CAD并没有刻意表达拓扑关系，但它能很好地运用于工业生产。Bernhardsen(1999)指出“GIS与CAD的本质区别最近几年来越来越模糊，通过增加适当的属性，许多原来的CAD系统商现在也能够很好地竞争GIS市场”。在许多GIS研究中引入CAD，如:Kofler(1998)等人开发的维也纳漫步系统中，使用了CAD与R树结合的建模方式;Stoter(2001)为解决3D地籍管理，引入GIS与CAD结合的方案;在VR GIS的研究中，很多数据的建模来自CAD或3Dmax，所以，3D GIS的建立目前不能过多地考虑拓扑关系的问题。 3.5 尺度问题 尺度是制图学、地理学等地球科学领域中一个古老的命题。“尺度是一个让人混淆的概念，经常被错误理解，在不同的环境和科学背景下有着不同的涵义”(Goodchild，1997)。 从某种意义上来说，我们可以将尺度的涵义概括为“对空间对象的抽象程度”。在制图学中，地图是按一定的尺度绘制的，表现为图上距离与实际距离的比例;在地理学中，一般以计数单元采样得到，计数单元的大小是尺度的指标。地图学中，尺度的不同导致同一地区的同一地物在不同比例尺的地图上有着不同的表达，即表达的是地物的不同层次的抽象;同样，在地理学中，基于不同的计数单元进行分析，得到的统计结果也可能是不同的。由此，产生了多尺度的概念，不同尺度间的关系如何，它们如何融合、之间如何转换，仍是一个有待解决的问题(李志林)。 18 河南理工大学本科毕业论文 4 三维建模的关键技术 目前，对3D GIS的研究尚处于初步阶段，所实现的部分3D GIS功能也只是出现在一些实验性原型系统中，迄今为止还没有一个商业性真三维GIS软件出现，对3D GIS的研究还有很长一段路要走。目前3D GIS [12]面临的主要挑战是(万剑华): 》如何快速、自动地获取3DGIS所需要的各种数据和信息; 》如何有效地表示三维实体的几何信息; 》如何定义空间现象和数据模型的特点; 》如何在数据结构方面集成三维拓扑数据和属性; 》如何应用不同的表示方法来处理三维空间数据库; 》如何定义一组与数据模型相联系的分析功能; 》如何高速进行三维仿真、动画; 》如何表示和修改结果模型; 》如何将表面数据和体数据进行结合和转换; 》如何在数据模型中考虑不确定性; 》如何在数据模型中进行误差定位和消除; 》如何处理数据模型的不连续性; 》如何在数据模型中处理时态数据; 》如何处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据。 从测绘的角度来看，建设“数字城市”，首先要进行“数字城市”的空间地理数据基础设施的建设，其中，所需的关键技术主要包括高分辨率的对地观测技术、网络技术、3D GIS、三维建模技术、虚拟现实与可视化技术等。高分辨率的对地观测为其提供了良好的原始数据源，网络技术是信息通讯的基础，3D GIS技术为数字城市信息资源的管理与应用 19 河南理工大学本科毕业论文 提供了坚实的理论基础和技术平台，三维建模技术是构建城市模型的基础，虚拟现实与可视化技术是构建三维数字城市的具体实现方法。下面 [13]简要介绍相关技术的发展现状。 4.1 高分辨率对地观测技术 “数字城市”的建设，需要大比例尺、高精度的数据，这些数据将主要来自对地观测技术的发展。目前对地观测技术将逐步实现多时相、多角度和高分辨率化。民用卫星对地观测的最高分辨率可达到1m，这与我国1:1万比例尺地形图相对应，可以满足大多数城市用图的需要，这是构筑数字城市的最基本的空间数据。高分辨率的卫星影像还可以作为其它非空间数据的载体和框架，用于实现这些数据的空间定位。从数字摄影测量系统获取与提取加工的大比例尺数字地形和城市专题信息与城市地理信息系统一体化将是“数字城市”的主要特征。借助全球定位系统(GPS)技术可以进一步提高遥感、遥测数据的精度。 4.2 海量数据存储和互操作 “数字城市”的数据量是相当大的，既有空间的。如各类多光谱、多时相、高分辨率的城市遥感卫星影像、航空影像、大比例尺的电子地图;也有非空间的，如有关城市人口、经济、社会、资源、发展等方面的数据。可以说，“数字城市”的数据是海量的，因此，建设“数字城市”需要海量的存储技术。这些数据存放在不同系统、不同数据库中，其数据结构、数据格式也不尽相同。实现这些数据的共享、动态调用需要互操作技术。 4.3 计算机宽带网络 通过计算机网络能够实现不同用户对网络资源的共享，把分布在广泛区域中的众多信息处理系统有机地连在一起，构成一个规模更大、功 20 河南理工大学本科毕业论文 能更强、可靠性更高的综合信息处理系统。“数字城市”的数据分布在不同的数据库中，由不同的部门负责构建和管理，只有通过高速网络才能真正实现数据的无缝操作。现在的Internet的带宽无法满足“数字城市”的需求。要传输海量数据，进行科学计算，宽带网络便成为“数字城市”是否能走向实用的关键。 4.4 可视化、虚拟现实技术 可视化是实现“数字城市”与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机的一堆数字是无任何意义的。通过数据可视化技术，为分析和查询数据库中数据展现了新的视野，有助于发现隐藏在其中的信息，为决策支持、宏观管理提供更加有力的依据。虚拟现实技术是近年来出现的高新技术，它综合集成了计算机图形学、人机交互技术、传感与测量技术、仿真、人工智能、微电子等科学技术，生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互的动态世界，人们可以对虚拟的实体进行操作，它为人类观察自然、欣赏景观、了解实体提供了身临其境的感觉。 4.5 数据挖掘(Data Mining，DM) “数字城市”需要解决的一个关键问题是怎样从“数字城市”的海量数据中提取人们感兴趣的数据，发现数据之间的关系，甚至足潜在的、未知的数据特征，以提供决策支持的需要。利用数据挖掘技术，我们就能更好地认识和分析所观测到的海量数据;对获取的城市空间数据进行处理，从中挖掘出城市信息机理知识，进而认识城市系统的演化规律。数据挖掘将人工智能、统计、计算机及数据库等技术紧密结合，其方法和技术可以分为六大类: (1)归纳学习方法; 21 河南理工大学本科毕业论文 (2)仿生物技术; (3)公式发现; (4)统计分析方法; 模糊数学方法; (5) (6)可视化技术。 “数字城市”中的数据大多包含空间数据，存储在空间数据库中，它们比一般的关系数据库和事务数据库具有更加丰富和复杂的语义信息。利用空间数据挖掘技术，提高“数字城市”的智能化水平，使“数字城市”真正成为智能化的空间咨询和决策支持系统。 4.6 地理信息系统(Geographic information system，GIS) 地理信息系统技术是“数字城市”数据库管理的基础技术(简逢敏，2000)。另外，地理信息系统的空间信息表达和直观表现能力，在处理城市复杂系统问题时，能帮助人们更好地建立大局观和模拟直接感受(赖明，1999)。目前，地理信息系统正从二维向多维动态以及网络方向发展。因为GIS处理的地理对象，从本质上说是三维连续分布的，而且这些地理对象往往具有时间的属性，实时态，所以需要3D GIS、4D GIS来精确地描述处理这些地理对象。在技术方面。一是基于Client/Server结构，如基于组件式软件技术的Com GIS具有可编程和可重用的特点，使GIS软件开发进入一个新的阶段，很大程度上推动GIS软件的系统集成化和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发展，提供了一种Web GIS的解决方案;另一个是Internet或Web GIS，目前实现Web GIS的方法主要有Java编程法、ActiveX法、公共网关系接口(CGI)、服务器应用程序接口法(Server API)、插入法(Plugins)等(李德仁，1999;吴信才、 22 河南理工大学本科毕业论文 白玉琪、郭玲玲，2000)。总之，基于宽带网开放式、分布式、可操作地理信息系统是实现“数字城市”的关键技术之一。 4.7 决策支持系统(Decision Support System，DSS) “数字城市”的目的之一就是要利用现有的各种数据、信息，在综合、全面地分析后，为城市的规划管理和可持续发展提供决策支持。决策支持系统是在管理信息系统和运筹学的基础上发展起来的，概念是早在70年代提出的。决策支持系统利用数据库、人机交互进行多模型的有机组台，辅助决策者实现科学决策的综合集成系统。与一般决策支持系统不同，数字城市所需的决策支持系统是空间决策支持系统。空间决策支持系统是面向空间问题领域的决策支持系统，它支持复杂的、结构性较差(如半结构化或非结构化)的空间问题并对此进行求解。 4.8 系统集成(system Integration，IS) “数字城市”的数据、计算和应用具有分布式的特点，因此它需要多数据库、多平台、多技术的集成。就系统集成而言，它是一种思想、观念和哲理，是一种方法策略，是一种一体化的解决方。采用集成平台作为“数字城市”的框架结构具有很多优点:首先集成平台所具有的协调和反馈机制可以使整个系统形成一个有机的整体，完成单独部件不能完成的功能，从而增强系统的整体性。其次，在统一的集成平台的基础上，多种信息可以共享，信息融合和深层次挖掘可以产生大量新的有用信息。第三，减少集成的复杂度。第四，减少各子系统的重复部件，减少系统冗余，保持系统的一致性。第五，便于系统的维护和更新(张健挺，1998)。所以，“数字城市”应该建立在集成平台之上。 此外，各种数据标准的建立、决策模型的管理、信息平台的开发、城市运行管理技术、以及“数字城市”的信息安全保障机制等都是“数 23 河南理工大学本科毕业论文 字城市”的关键技术。总之，“数字城市”的关键技术是相对联系、相辅相成、缺一不可的。 24 河南理工大学本科毕业论文 5 几种三维建模方法 三维城市模型的主要任务是对城市三维环境进行数字化表达，继而可视化，提供相应的操作与分析功能。目前在城市三维景观构建方面，易善祯(1999)、常歌等(2000)提出了基于单纯形的3D GIS数据模型物和虚拟城市景观模型重建:将城市实体模型按维数划分0维、1维、2维和 、1、2和3单纯形表示构建。同时，将地形3维空间实体，并相应用O 作为城市各种建筑物的承载体，用TIN来表示，称作2.5维，在2D GIS矢量线划数据确定建筑物平面位置，属性确定高度、建筑物侧面纹理由数字相机获取，顶面纹理由航空遥感数据获得，生成景观模型。戴晨光等(2000)提出了基于航空影像生成城市三维城市景观。将建筑物按照其外形特征分成平屋顶房屋、人字型屋顶房屋和复杂房屋，并分别采用不同几何数据模型进行构建。唐宏、盛业华(2000)提出了一种TIN表达地形，以BP、CSG表达其他以点、线、面、体形式的空间实体的城市三维GIS数据模型，并在立体空间中，逐层引入空间信息，同时为每个对象建立属性特征和空间关系。为了准确描述建筑物的不同层次结构以便进行空间分析与操作，杨必胜等(2000)提出了一种按城市建筑物功能或形状分层的组合模型方法构造建筑物模型。 综观上述模型，各有其特点和适合的应用领域，三维实体和应用的复杂性，使得一种数据模型难以满足不同的需求。另外，要建立理想的城市数据模型，不仅要考虑各种几何建模方法的特点，还更要顾及到三维数据获取的难易程度，数据获取是一个关键。根据数据来源的不同， [15]可将目前人们所采用的城市三维建模的方法分为四类: (l)以三维影像的方式构建(将DEM与航空影像叠加，生成三维影像); 25 河南理工大学本科毕业论文 (2)基于2D GIS的方法构建(利用现有的2D GIS中数据及其部分功能建立); (3)基于三维数据模型的方法(利用数字摄影测量系统将空间物体转 换为三维模型来获取); (4)利用建模软件方法。 早期人们将航空影像与DEM叠加构造地形景观或城市建筑群的景观模型，这种模型对地形地表提供了逼真的三维表达，但该方法仅对地形地表进行了建模表达，而没有对地表其他地物三维实体进行专门的建模表达，如没有提供它们的第3维几何特征和纹理特征。在数字城市系统的建立中，本身就己经具有了2D GIS数据，且2D GIS数据具备大部分建筑实体建模所需的数据。因此，在大规模生产中，第二种方法的采用较为广泛。在这种情况下，为了反映建筑物侧面纹理及竖向信息，人们利用现有2D GIS中的平面位置及高度信息，另外添加一些信息(如:房屋高度、墙面纹理、规则屋顶等)同时使用规则几何体(如长方体、三棱体等几何构造体或它们的组合)来表达城市建筑物。这种方法所构建的模型系统在利用大量2D GIS中现有数据同时，也利用了2D GIS的部分功能(如数据管理、查询与检索等)。由于重构的主要是规则建筑物实体，因而可以方便地构建一个简单的能表达城市环境的大面积范围的三维城市模型，同时数据量少且操作速度快。但最大的缺陷在于这类模型进表达了相对规则的建筑物，难以重构复杂的城市景观实体，所构建的模型真实感不足。 数字摄影测量的飞速发展，建筑物高度等三维数据的大批量快速获取成为可能。摄影测量作为一种经济的获取真3D城市数据的方法，使得我们可以从数字遥感立体图像上以全自动方式获取数字高程模型和以半自动方式提取建筑物平面位置和高度信息，构建三维实体，这为城市景 26 河南理工大学本科毕业论文 观逼真可视化的实现提供了数据条件;反过来，城市景观逼真可视化的实现又可以为从遥感立体图像上所量测到的建筑物数据和DEM数据提供检验。这种建模方法代表了目前三维城市建模研究的发展趋势。第四种方法是利用目前流行的建模造型工具(3Dmax，Auto CAD等)来构造实体。对于复杂的地物或标志性建筑物，模型建立应该比较详细。可在专门的建模软件下进行建模，然后再加入三维城市场景中。但这种建模不同于艺术广告中的三维沙盘，因为它不但要考虑视觉效果还要考虑精度以及与实地景观的吻合度。所以相对前面的建模方法，这种方法的技术难度比较大，它要求建模人员不但具有丰富的地学思想，头脑中还应该具有一定的空间美学知识。使用这种方法建模优点是实体模型刻画细致，真实感强，在规划设计中虚拟未来场景很有用;缺点是构成模型的面多，当超过一定面数后，影响演示效果。根据以上论述，由于城市三维对象随着研究领域的不同，其描述空间实体的方法存在较大差异，因此应根 [16]据研究领域空间实体特征，结合使用不同的建模方法。 5.1 基于DEM与影像的城市三维景观重建方法 将航空影像和DEM叠加可以生成地形景观或者城市建筑群的景观模型，随着数据获取技术的发展，可以一次性、大批量快速获取DEM以及航空影像看，从而可以方便地建立起大范围地形或者整个城区的景观模型，因此这种方法可以得到广泛的应用。但是这种方法构造的城区景观由于纹理的失真，缺乏真实感，并且不易提取地面三维对象，难以对地表单个三维对象进行建模，无法构建大量的城市建筑三维模型及城市相关设施的三维模型，难以实现查询和空间分析操作。该方法目前仅用于建立简单粗略的城市景观模型。 5.2 基于2D GIS的三维景观重建方法 27 河南理工大学本科毕业论文 现有的2D GIS系统中存储了大量三维城市建模所需要的数据，曾有学者提出使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，即在2D GIS的基础上另外添加一些高程信息来构建三维城市模型。同时，鉴于一些城市建筑物有规则的外形,可以使用规则几何体加以描述。由于重构的对象主要是城市规则建筑物实体，因而可以方便地构建大范围的简易三维模型，数据量较少并且操作速度快。但是这种模型只表达了对规则的建筑物构建，对于城市的景观实体难以准确的表达。因此总体说来，这种模型真实感较少，景观信息表达不足。目前这种方法在建立简单的三维城市电子地图方面应用较广。 5.3 基于真三维数据模型的方法 三维数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，反映了现实世界中三维空间实体与实体之间的相互关系，是建立一个富有管理机能和操作机制三维系统的基础。基于三维数据模型的三维城市建模方法,综合分析了三维对象本身的特点，也顾及对象间的空间关系的表达,因而更接近3D GIS应具备的功能，是目前城市建模的重点研究和发展方向。由于城市房屋的墙面一般为铅直状态，而房屋的屋顶一般比较复杂的事实，一些学者提出2.75维的数据模型，这种模型中墙面用传统的2.5维表示，屋顶用真三维的形式表达。随着数字摄影测量的飞速发展，建筑物高度等三维数据的大批量快速获取成为可能。在这种条件下，就为造型真实、视觉真实的三维重建提供了便利条件。在这种模型中，所有的定点都具有三维坐标(x，y，z)，z不再像2.5维中以属性的方式存储，而是代表目标的空间方向的量度。现实中即使能够大批量的获取城市三维数据，城市的三维重建除了需要真三维矢量数据外，像城市目标的体表材质(纹理)、光照效果、阴影表达等对于真实感三维城市重建来说也是至关重要的。 28 河南理工大学本科毕业论文 5.4 基于Auto CAD三维建模方法 Auto CAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能，它的优点在于能够精细、精确，有精确尺寸的将三围维图形建模，但是它的渲染处理及动画制作方面功能较弱，不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作，不支持与地形的叠加，不支持属性定义，主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。 5.5 基于Open GL开发 使用Open GL，VC模式,通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。目前，在实际应用技术中，较为普遍和实际的模型制作是利用3Dmax制作建筑精细模型，利用丰富的建模工具达到模型逼真效果。但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。 此外还可以是利用MultiGen Creator制作，MutiGen Creator软件功能强大,支持大面积地形建模、建筑物建模。其模型数据具有结构简洁的有点,并在运行过程中可以进行交互操作，实时计算动画场景，开发后可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细，数据交互编辑、查询能力较弱。 29 河南理工大学本科毕业论文 6 结论与展望 GIS在我国的发展已有相当长的时期，其应用已经深入到很多领域，就应用现状来看，已应用于农、林、水、牧、渔、地质勘察、交通运输、房地产管理、公共事业、大众服务、科学研究等行业。无论宏观监测还是徽观规划与管理均有GIS的应用，其应用领域已渗透到各行各业，但这些应用中涉及对空间第三维信息的应用还比较少。尽管人类的活动空间不断地向高空和地下延伸，但人类的主要活动仍然在地球表面，垂直方向即第三维空间与地球表面平面空间相比，是一个相当小的范围。很多GIS的宏观应用，如国土资源调查、农业防虫防早等方面，第三维空间信息基本没有应用意义(孙敏)，缺乏第三维空间信息处理功能并没有制约GIS在许多领域的应用。从这个方面说，三维GIS和二维GIS，不存在谁取代谁的问题，而是两者互相补充、共同发展的过程。 现实的世界是一个三维世界，随着科技发展和应用需要，如何更有效地处理和表达这些三维空间现象已成为GIS需要解决的迫切论题。3D GIS是GIS的必然发展趋势。但由于技术手段限制，高精度三维数据的采集是非常困难的，现有的空间数据的表现形式各异，三维建模的相关理论尚未完善，导致三维空间建模只能根据特定的应用领域、特定的数据获取方式来实现，到目前为止，对三维地理信息系统还没有一个完整的定义，虽然人们已在许多方面有较深入的研究，但三维地理信息系统的内涵究竟是什么，它与现有GIS到底是什么关系，仍然没有一个确切的回答，以致于现阶段对三维GIS的定义和理解混乱，因而有必要对三维GIS进行重新思考，给出其发展的主导方向及轮廓。事实已经证明，建立一个具有现有GIS各方面功能的三维GIS，在现有条件下几乎是不可能的，这种困难性主要表现在: (1)试图找到一个全新的三维空间数据模型替代现有GIS中点线面表 30 河南理工大学本科毕业论文 达的二维模型，将z值从属性数据变为空间数据，在点线面的基础上增加体要素; (2)试图在一个模型中表达现实世界中的各类三维对象; 试图强调对复杂对象表达的精确性。 (3) 国内外学者在三维GIS空间数据模型方面做了相当多的研究，根据不同应用领域的设计需求，提出了一些三维数据模型和建模方法。由于三维实体和应用的复杂性，目前尚无一利，数据模型能把所有的空间实体完好地表示出来，采用单一的数据模型很难对空间实体进行有效的描述。主要原因在于:三维空间数据，是对三维实体和自然现象的反应，结构非常复杂，在表示、模型化、存储、检索、处理、计算、可视化等方面存在理论上的不足和现有信息处理手段的限制;获取大量的、真实可靠的、准确的、表现形式一致的三维数据，在目前仍然是一个巨大的技术难题，需要消耗大量的人力和物力，在经济上难以承受。由于科学技术水平和人们认知能力的局限性，目前3D GIS中获取数据的主要技术手段、种类及来源，由于地理数据、社会经济和文化数据的类型、来源、性质及数据质量往往存在较大差异，人们使用的要求也不同，因此，对这些数掘的表示应以简明、适用为原则。 尽管三维GIS理论还有待突破，但这并没有妨碍三维GIS在各领域的应用，完善GIS理论的内在动力和各行业需求的外在压力，都将促进三维理论和技术的发展。随着相关技术的发展和越来越多的人加入到三维GIS的研究行列，相信三维GIS会有一个美好的明天。 31 河南理工大学本科毕业论文 致 谢 首先，我要感谢河南理工大学，感谢对我四年的培养，让我学到了许许多多的知识，感谢各位老师在这四年里对我的关怀与照顾，特别是我的辅导员程光亮老师，在四年来的学习与生活中的关怀与帮助，在此致以我深深的谢意。 本论文从选题到最后定稿成文，本校胡圣武老师一直给予了悉心指导，胡老师那种严谨求实的作风，广博深邃的洞察力，孜孜不倦的开拓精神和敬业精神令我深受启迪和教益，谨向我的指导老师***老师致以深深的谢意，本文在创作之中也得到了山东科技大学硕士生***的帮助，在此表示感谢。 本文是从数字城市三维建模有关理论与方法的相关问题进行了分析和探讨。但是，由于笔者水平有限，在理论的描述、资料的运用等方面难免有不当、不深，不周之处，有些观点也尚欠成熟，敬请各位老师批评指正。 最后，我还要向所有曾经帮助过我的同学和朋友们致敬，你们的鼓励和帮助永远是我前进的动力。 32 河南理工大学本科毕业论文 参考文献 [1] 龚健雅.地理信息系统基础[M].北京:科学出版社，2000 [2] 李志林，朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社，2000 [3] 高山.三维城市模型若干关键技术的研究[D].武汉:武汉大学，2004 [4] 曹传芬.虚拟城市三维建模的理论与方法研究[D].长沙:中南大学，2004 [5] 朱洪亮，万剑华，郭际明，潘正风.城市三维建模的数据获取[J].工程勘察，2002(3):43—50 [6] 李青元，林宗坚，李成明(真三维GIS技术研究的现状与发展[J](测绘科学，2000,25(2):47—51 [7] 周杨.数字城市三维可视化技术及应用[D].郑州:解放军信息工程大学，2002 [8] 祁向前.数字城市三维建模数据处理研究[D].太原:太原理工大学，2003 [9] 谢峰.数字城市中方建筑物的三维实现[D].西安:长安大学，2003 [10] 赵健.城市建筑物三维GIS建模理论及开发技术研究[D].太原:太原理工大学，2002 [11] 项琳.数字城市建立技术研究及数字校园实现[D].西安:西安科技学院，2002 [12] 胡圣武，李鲲鹏.三维GIS关键技术的研究[J].地理空间信息[J].2008,6(3):9—12 [13] Michael F. Goodchild. Geographic information systems and science: today and tomorrow, Procedia Earth and Planetary Science 1( 2009):1037—1043 33 河南理工大学本科毕业论文 [14] 朱庆，林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社，2004 [15] 李清泉，杨必胜，史文中等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉:武汉大学出版社，2003 [16] 韦春桃.空间三维建模方法研究[D].桂林:桂林工学院，2004 34