一种修改建筑物底部DEM和DLG的实用方法

1 概述

三维数字城市的基础空间数据包括数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)、数字正射影像DOM(Digital Orthphote Map)、建筑物矢量数据和地物表面纹理影像等[1]。目前,比较著名的数字摄影测量工作站有北京四维远见的JX-4G、Leica/Helava公司的DPW系统、Zeiss公司的 PHOD IS、Intergraph公司的 Image Station、ERDAS公司的OrthoMAX、武汉大学的Virtuozo等,这些系统生产数据的原理和流程基本相似,且都没有对建筑物地基和路面处DEM做特殊处理[2-3],若直接将其产品用于三维数字城市建模,则会出现建筑物底部与DEM不吻合的问题。

比较有代表性的三维 GIS软件,包括 ERDAS公司的三维可视化分析工具Imaging Virtual GIS、美国M ultigen公司的交互式三维造型软件M ultigenCreator、瑞士 ETH Zurich大学研制的三维立体重建的软件 CC-GIS(Cyber-City GIS)、美国 Integraph公司的模块化地理信息系统M GE、瑞典Cycore公司的流式三维技术——Cult3D、Macromedia公司的Shockw ave技术、ESRI公司的、武汉适普软件的基于4D的三维可视化地理信息系统、北京灵图软件技术有限公司开发的VRMap、中国测绘科学研究院的New Map 3DV三维地理信息系统等[4]都能用于建立三维模型或场景,只是由于技术特点不同,应用领域也略有差异。如CC-GIS侧重建筑物建模,Cult3D注重网络应用,而 ESRI公司的产品利于空间分析等。但是这些软件都不具备对数字摄影测量数据中的DEM和DLG进行改进处理的功能[5-6]。

本文对JX-4G数字摄影测量系统测量结果的上述不足进行了改进,使改进后的DEM和DLG能方便、准确地应用于三维数字城市建模中。

2 DEM和DLG的改进方法

2.1 DEM和DLG的生产流程

DEM和DLG在JX-4G中的生产流程[7]如图1所示,由于JX-4G-DPW生产DEM时没有考虑建筑物的地基与路面处的平整性问题,获取生成DEM的矢量数据时也没有对建筑物的每个脚点进行高程测量,故现有的三维建模软件都不能直接将JX-4G生产的DEM和DOM生成数字表面模型(DSM)。另外JX-4G生成的DLG数据中没有存储建筑物的高度信息,建立三维建筑物模型时需实时计算,建模效率低。

图1 DEM和DLG的生产流程

2.2 改进原理与流程

首先,需改进的DEM数据是等间距的规则格网DEM。假定JX-4G所测得的可视地面区域DEM是准确的,用JX-4G所测的建筑物顶部棱廓和道路两边线的DLG是正确的,建筑物地基是水平的且路面在垂直于道路走向的方向上也是平的。由JX-4G得到格网DEM(文本格式)为中国NSDTF-DEM标准,而实验采用的三维显示软件A rcScene只能识别并转化 GRID格式的格网DEM[8]。故首先要将NSDTF-DEM标准格式的DEM数据转化成 A rcGIS中的 GRID格式。对DEM和DLG进行如下修改:①根据建筑物顶部棱廓点 Pn在 XY方向上的坐标(Xn,Yn)找到其所在的DEM网格,如图2所示,在构成网格的4个结点中,距离 Pn最近结点的高程值即为 Pn投影到地面的高程。设同一建筑物m个结点地面高程的平均值为该建筑物的地基高程,其与对应顶部棱廓点的 Z值之差D就是建筑物相应位置的高度,在DLG建筑物结点坐标字段内加存 D值,即可实现建筑物地基的置平以及建筑物和DEM的无缝衔接。②根据DLG中道路的水平位置和高程,用上述方法找出其DEM的位置,以DLG中的高程值为其真值(因为DLG中高程值是测量所得)对路面处的DEM进行改正。数据改进的整个流程如图3所示。

2.3 改进方法实现

2.3.1 建筑物DEM的改进

根据三维显示和三维空间分析这两种不同的应用要求,用两种方法对DEM数据进行修正。

方法一:建筑物地基DEM铲平。

根据地物矢量数据(存储于DLG)中建筑物顶部点坐标与DEM插值,得出建筑物脚点高程值,将DEM中建筑物底面多边形区域内各点的高程都设为其脚点高程的平均值(因为建筑物的底面是水平的)。由于建筑物、DEM和DOM处于不同的图层内,可以对建筑物贴纹理[9],所以采用这种方法的优点是输出三维地图的视觉效果比较好。但同一栋建筑可能由两个或两个以上不同高度的部分组成,这些高度不一的部分其连接处是无缝的,而用数字摄影测量系统进行向量测图时很难测量连接处的公共边。所以,这样的建筑物一般会被当作几个不同高度的平顶建筑物,如图4所示。这样重建之后的建筑物模型之间就形成了缝隙或重叠在一起,如图5所示。所以使用这种方法建立的三维模型不适合进行三维空间分析。

方法二:建筑物处DEM拉伸。

它是为弥补方法一的不足而设计的。这种方法与方法一的不同之处在于,它不将DEM中建筑物底面多边形区域内各点的高程设为其脚点高程的平均值,而是设为其顶点高程值,即把建筑物的表面看成地貌。且由于格网DEM的间距一般都大于方法一出现的缝隙或重叠部分的宽度,所以缝隙或重叠的部分会被抹掉。三维显示时不再显示建筑物层,而是显示根据DEM拉伸了的DOM。进行同时需要考虑地貌和建筑物的三维空间分析时只要分析一种数据-DEM 。这种方法优点在于便于进行三维分析,且不会影响分析误差,因为误差主要来源于格网间距和测量过程。但是这种方法显示出来的三维图像在美观上劣于方法一。

2.3.2 道路DEM的改进

分析地物矢量数据中的道路数据,确定道路的两条边线。沿道路的测量方向将道路分成若干区段,再将各个区段处的DEM沿垂直于道路的方向根据道路的矢量数据抹平,使各个区段都成为沿道路方向倾斜的平面。

2.3.3 DLG的改进

通过上述方法将建筑物地基DEM铲平后,用DLG中建筑物顶点高程减去建筑物地基高程,所得值存储在DLG建筑数据层的相应位置,用于建筑物模型构建,如此即可实现模型中建筑物底部点的高程与地貌中相应位置高程的一致,从而实现建筑物模型与地貌模型的无缝连接。

3 应用实例

3.1 实例数据

本实验使用JX-4G系统中附带的测试数据,总面积是4.475 km2,DEM格网间距为1 m,DOM精度为0.2 m,建筑物数为269个,大小道路共24条。

3.2 系统构架及性能

使用JX-4G系统附带的实验数据制作一份DEM、DOM 和 DLG,以 VS2005为平台,以 C#为开发语言设计一个用于三维建模的改进程序。其主要功能为数据读取与转换、数据修正、数据显示、数据操作以及应用,系统结构如图6所示。

图6 系统结构

该系统的优越性体现在以下几个方面:

1)利用建筑物顶部顶点坐标数据和DEM数据,系统能自动地插值出房屋的脚点坐标和房屋的高度。

2)系统可以多次读取矢量数据文件,并将矢量数据无重复的存储。

3)通过数据修正,系统实现了建筑模型与DEM的无缝连接、建筑物底部和道路处的DEM整平,使DEM与现实拟合得更好。

4)手动建房使用户能在本系统上实现建设规划功能,使用户能看到规划后的大体效果。

5)处理速度快。从数据的读取到最后建筑模型的显示用时不到10 min,双核2 G以上的CPU能在6 min内完成。若除去数据修正和数据转化两个步骤,所用的时间将节省一半以上。

3.3 实例效果图

图7是由经过修正后的DEM、DOM以及改进后的DLG数据生成的数字城市模型总体图。

图7 数字城市模型

图8表示DEM在陡坎处的变化,比图9所表示的部分要平缓,图9为在建筑物处还有凹凸起伏。该图中看到的在陡坎附近的建筑物地基依然不平,这是由于A rcScene软件内部建模机制无法使用间距为1 m的DEM进行抽析造成的。

由图10可以看出路面的右边明显高于左边,即不够合理;图11表示修改后的路面,从图上可知,该修改是合理的。

由图12可看出,数字表面模型(DSM)是比较精确的。图上表示墙体的部分基本垂直于地面,墙体的投影宽度不超过1 m。图13表示的为手动建房功能,只要用户选择建筑物的底部顶点并输入建筑物高度,就能建立起相应的三维建筑物模型。

4 结论

本文通过对DEM和DLG的改进,使原本可能出现在路面和建筑物地基处的不平消失,实现建筑物模型与地面无缝衔接,生成的DSM能清晰地反映建筑物所在位置,提高了三维数字城市建模的精度和速度,并在系统中实现了手动建房功能,此功能可以精确地在用户指定位置“建房”,且整个系统能流畅地进行三维漫游,实现了预期功能。

方法一对建筑物和DEM的处理,使建筑物模型与DEM实现无缝衔接,虽不利于进行空间分析,但三维场景显示逼真美观;方法二能抹掉方法一产生的缝隙,且便于进行三维空间分析,不足之处在于没有前者图形显示漂亮。这两种改进方法分别从不同角度对三维数字城市的基础数据进行了修改,各有优劣,故有待于寻找兼备二者优点的新方法。

数字摄影测量是一种能快速高效获取高精度地理空间数据的技术[10]。本文对JX-4G数字摄影测量系统生产的DEM和DLG这两种数据的改进方法,在大规模的三维数字城市建设中具有借鉴意义。

[1]龚健雅,朱庆.当代地理信息技术[M].北京:科学出版社,2004:170-171.

[2]李成名,王继周,马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京:科学出版社,2008:17-20.

[3]张剑清,潘励,王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[4]王之卓.摄影测量原理[M].北京:测绘出版社,1979.

[5]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,1996.

[6]沈婕.数字摄影测量与虚拟城市建设[OL].设计知识资源网,2008-7-12.

[7]戴小真.全数字摄影测量的生产流程及技术要点[J].地矿测绘,2002,18(2):16-17.

[8]陈干,闾国年,刘晓艳.数字城市与虚拟城市关系研究[J].江苏城市规划,2000(4):30-34.

[9]刘德利.基于数字摄影测量的城市三维景观建模[D].吉林:吉林大学,2006.

[10]胡志贵.数字摄影测量系统——基础空间信息生产的解决方案[J].中国 GIS工程与应用通讯,2001(1):44-46.

A practical way of modifying the DEM and DLG on the bottom of buildings

L IChao-kui,L IU Wen-bin,LU Li-juan,YANG Gang
(Institute of Geospatial Information Science,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

3D rapid modeling p lays a vital role in the p rocess of 3D digital city construction.The article raises amethod of imp roving Digital Elevation Model(DEM)and Digital Line Graph(DLG),w hich ismeasured by JX-4G digital photogrammetry system and mainly modifies the unmatched in DEM on the road and the bottom of building,as well as the lack of building height information,saved in DLG.The imp roved DEM and Digital Orthophoto Map(DOM)can p roduce Digital Surface Model(DSM)w ith more high-accuracy,p roviding the foundation for modeling 3D digital city efficiently and p recisely.

digital photogrammetric system;DEM;DLG;modification method

P23

1006-7949(2010)06-0004-05

2009-12-06

国家自然科学基金资助项目(40671153);教育部留学回国基金资助项目(A 30702);湖南省教育厅重点资助项目(07A 02);人事部留学回国基金资助项目(A 3803);地理空间信息工程国家测绘局重点实验室开放基金项目(200816)

李朝奎(1967-),男,教授,博士.

[责任编辑刘文霞]