虚拟城市建模数据采集方法的研究

2011-12-21杜宝鑫李恩重

黑龙江水利科技 2011年5期

关键词：纹理定向建筑物

杜宝鑫，李恩重

(1.双鸭山市国土资源勘测规划院，黑龙江双鸭山 155100;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

虚拟城市建模数据采集方法的研究

杜宝鑫1，李恩重2

(1.双鸭山市国土资源勘测规划院，黑龙江双鸭山 155100;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

城市建模是信息时代发展的必然产物，而数据的获取是城市建模重要内容与基础;本文主要介绍了如何通过航空立体相对及地面近景摄影测量相结合的方法获取城市建模所需的几何数据和纹理数据，并对几何数据和纹理数据进行编辑;着重阐述了全数字摄影测量的方法获取城市三维空间要素的基本原则。

城市建模;几何数据;纹理数据;数字摄影测量;三维

1 概况

虚拟城市建模，即以真实的地理空间位置再现城市现状景观，是反映城市现状的真实模型。如何选择一个合适的数据生产平台是十分重要的。数字摄影测量以数字航空影像为基础，是基于数字像素的摄影测量，通过计算机分析和处理获取数字图形和数字影像信息的摄影测量技术。

2 虚拟城市建模的数据采集方法

2.1 数据的获取与转换

将航空摄影所得的数码相片转换成数字摄影测量软件能识别的数字图像格式，并获取所需的原始资料和元数据资料。原始数据资料包括:拍摄时间、地面控制点文件、相机检校参数、航摄比例尺等;元数据资料包括中央子午线、航高、航摄比例尺、主距、航摄单位等。

2.2 定向模型的建立

要进行向量测图，获取城市建模所需的几何数据。首先需要建立立体模型，即定向建模型，具体包括以下5个步骤:

2.2.1 内定向

内定向就是解决框标坐标系与相片坐标系之间的关系，同时进行数字影像的变形改正。

2.2.2 相对定向

相对定向是确定像对的相对几何模型，最终建立立体模型;相对定向的精度对整个作业过程影响很大，好的相对定向会带来好的大地定向结果及较高的相关成功率，降低测图视差，立体好。

2.2.3 核线重采样

相对定向后，就可以建立一个没有上下视差的理想像对，绝对定向、自动获取DEM及向量测图都将在核线影像上完成。由于是立体像对作业，只对重叠范围内做核线纠正，所以核线影像大约为原始影像的65%。

2.2.4 绝对定向

绝对定向为了获取模型坐标系与大地坐标系之间的几何关系。

2.2.5 定义工作区

做完定向后要对工作区进行圈定，大部分情况下应选择大地点来设定工作区，左右像对应选择共有的那两个控制点，选好的工作区最好是一个物方多边形，以便于作业。这样像对的模型就建立起来了。

2.3 数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)的获取

2.3.1 数字高程模型(DEM)的获取

在数字摄影测量系统中，物方DEM可直接由相片得到。DEM向量数据采集时，主要针对匹配比较困难的地区做一些处理，然后设置相应的参数，由于用户所测的向量可以用来做为相关的初值，因而在进行相关之前，系统会自动将用户当前所打开的向量做为特征线提取出来，参与相关和构TIN。第一次相关时的DEM精度较差，即“粗格网”，在相关完后可进行简单编辑，然后将编辑后的“粗格网”作为已知数据(初值)再次相关，得到最终高精度的DEM。

2.3.2 正射影像(DOM)的获取

系统自动创建正射影像并进行立体观察，并通过左片或右片生成一个像对的DOM，再由中间切开后合并。

2.4 DOM和DEM的镶嵌

在做DEM镶嵌之前要做DEM的接边，并对结果存在的粗差点进行修测、编辑，重新创建物方DEM后，在进行像方DEM的接边。DEM和DOM的镶嵌可由系统自动完成。

2.5 向量测图

测图的内容主要包括:实地存在的建筑物和构筑物。

进行三维建筑模型的采集时，要保证采集的每一个建筑模型(包括分割的建筑模型)都是由一笔画成，具体的采集方法为:

1)建筑物大部分都只能看到房顶部分，而地面的房角点很难看得比较清楚，因此房屋的数据采集应从房顶的最高处测起(如房脊)，然后测房檐的各个角点，最后一点采集能够看得清楚的地面点作为房底角点的高程坐标。

2)植被在采集时也是和建筑模型的采集类似，采集地面范围线，在首点或尾点取得地物高。

3)对于复杂建筑的分割，可以根据建筑物的建筑形态和特征进行分割。

4)线状居民地采集中心线，同时获取地表高程值。

3 三维城市模型的建立

从本质而言，城市建模应该分为几何建模与纹理建模两部分组成，它由2部分组成，即:①DEM+DOM构成三维地形表面;②由房屋的纹理与几何模型构成三维建筑物。

3.1 几何建模

3.1.1 地物模型

用立体匹配生成的DEM数据对检测出的建筑物轮廓范围进行插值，如果某匹配点对应于候选建筑物轮廓内的某点，则把匹配点DEM信息赋值给轮廓内的点。通过这种简单的二维建筑物轮廓信息和三维高度信息的融合可得到城市航空影像中建筑物的三维信息。

3.1.2 地形建模

地形建模主要是表达地表高低起伏的状态，因此可用DEM+DOM构成三维地形表面，见图1。

图1 DEM与DOM构成的三维地形示意图

3.2 纹理建模

3.2.1 建筑结构数据的获取与处理

建筑结构是指地面存在的各种三维实体;可以通过数字摄影测量方法在立体模型上采集建筑物的特征点坐标，然后通过建模软件构造立体模型;也可以采用三维设计软件，如3Dmax，Multigen，Microstation等软件。将设计好的三维实体导入并定位于地形景观模型中。

3.2.2 地面纹理影像的生成

地面纹理影像可以根据生成的有真实地理坐标的正射影像获取地面纹理特征，并与数字高程模型匹配，形成真实的景观模型。

3.2.3 建筑纹理的采集与处理

建筑物纹理是建筑物模型的重要组成部分，建筑物纹理数据主要是通过实地拍摄的相片获取的，它的质量决定了场景的整体效果与纹理细节，并最终决定场景的逼真程度。

3.2.3.1 建筑侧面纹理的采集与处理

纹理数据通过实地拍摄相片获取，主要涉及地物侧面纹理的采集。为了保证纹理数据的质量，在拍摄地物侧面纹理的过程中需要注意日照条件、拍摄的角度等因素的影响。

纹理影像映射也是至关重要的一个环节。在进行各种类型三维地物的面与纹理影像映射过程中，只有确保纹理数据与面映射的正确性，才能真实地模拟现实建筑物，真正地做到虚拟现实。建筑物侧面纹理见图2。

3.2.3.2 建筑的顶面纹理的采集与处理

建筑模型的顶面纹理可从原始分辨率的正射影像中采集建筑物顶部的纹理数据。从正射影像中剪取建筑物顶部的纹理数据可以减少相当程度的野外工作量，降低工作难度，同时也保证了纹理的质量。

3.2.4 特殊地物的建模与纹理

使用数字摄影测量的方法虽然可以快速地建立城市中大部分建筑物的三维模型，但是对于一些边界模糊或者由于遮挡等因素而无法建立模型的特殊地物，如:树木、街道、花坛、雕塑等，只能根据原始相片和野外调绘记录，采用其他通用的建模软件如3DMAX等来建立其模型。特殊地物纹理见图3。

图2 建筑物侧面纹理示意图

图3 特殊地物纹理图

对于在虚拟城市三维景观模型中必须表达的这些特殊地物，尽管采用数字正射影像可以得到其真实纹理，也可以反映其真实面貌，但城市三维景观模型的表现在注重真实的同时，也应当表现出城市之美。例如城市街道的地面，如果采用数字正射影像的真实纹理，赃物和损毁的地面都会被摄进去，在模型中表现出来的地面就很不美观;为了消除这些影响，一般需要对地面纹理进行修饰，在控制其空间尺度等特性和把握其真实性的前提下，人为黏贴“美观”的地面纹理。