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1、主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维GIS,三维城市模型数据的生产工艺与质量控制,中国地质大学（武汉）信息工程学院,主要内容：,三维城市模型的数据内容与细节程度 3DCM数据的获取与建模方法 三维城市模型的数据生产工艺 三维城市模型数据生产的全面质量控制,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型的数据内容与细节程度,三维城市模型不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型 数据内容,图1. 三维空间信息传输模式,中国地质大学（
2、武汉）信息工程学院,三维城市模型作为数码城市的骨架，不仅仅包括地形、地物（建筑物、交通网络，植被等）的三维空间几何表达，而且还包括这些地物的纹理特征（对地形来说，其纹理特征就是相对应的DOM）以及其他的相关属性信息。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,3DCM的定义或描述,Ranzinger和Gleixner (1997)提出： 3DCM 是计算机对一个城镇内所有固定对象(如建筑物、植被、交通道路、水系) 的特别表达，它包含从任何角度观察每一个对象的所有信息，还有方便于辨认的主要特征，它是一种整个城镇的CAD 模型。 Schilcher (1998)等学者提出： 结合现有2DGIS 中的大量城
3、市信息，通过添加一些补充信息，即可很好地建立城市三维景观模型。 Kofler (1998)指出： 计算机城市(Cybercity)是一个小型真三维GIS 系统，是城市环境三维数据的存贮、操作以及可视化等多种技术的发展。,3DCM的应用,3DCM,三维城市模型数据生产的内容包括数字地面模型（Digital Elevation Model，简称DEM）、数字正射影像（Digital Orthoimage Map，简称DOM）、城市固定地物的三维模型数据（3D City Model Data，简称CMD）、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,图2、三维城市模型数据生
4、产的内容,中国地质大学（武汉）信息工程学院,2、细节层次（LOD）,LOD是三维场景表达的一个重要研究内容，主要研究如何在减少所需要绘制的数据内容和几何细节时，保证观察者无法感知场景细节程度的降低，主要实现方法与相关因素包括剪切、距离、大小、偏心率、物体运动速度等。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,在3DCM的数据表达中，纹理可代替部分几何细节的表达，并能有效提高场景的逼真度，这也是3DCM与二维GIS在数据内容和可视化表达上的一个重要区别。,纹理与几何数据的统一,中国地质大学（武汉）信息工程学院,无纹理材质,有纹理材质,由于几何细节生产复杂且成本较高，而大量纹理数据的使用又影响系统效率；同
5、时，纹理只能在一定的视距下保证可视效果，而几何数据的表达没有这一问题。因此，如何平衡3DCM的几何与纹理数据是研究其数据内容需要考虑的一个重要问题。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,2D到3D：从隐喻到直观 三维数码城市的信息载体 三维数码城市的基本表现手段,三维城市模型数据的获取,三维城市模型数据的获取,将2D GIS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。这种方法最简便，同时三维数据量最少，但也与实际相差最大；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型数据的获取,在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。这种方式获取速度也
6、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；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,根据搭载平台的不同，激光扫描系统可以分为： 1. 地面激光扫描系统 2. 车载激光扫描系统 3. 机载激光扫描系统,使用航空影像进行交互式获取。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，工作量也是相当大的；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,CAD建模方法,产生于20世纪50年代后期，目前广泛使用在工业设计、建
7、筑规划等领域 从二维到三维的空间数据处理都取得了很大的进展 注重设计，面向未来,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。这种方式获取速度最快，但获取几何信息不够完整，需要人工做大量后续处理，目前还难以达到实用； 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。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维建模有很多，而且相关的新软件不断出现，目前比较通用的建模软件有国外的AutoCAD、3DMAX、MultiGen等。 国
8、内也出现了类似的产品，如灵图公司的VRMap、适普公司的IMAGIS等。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,AutoCAD致力于模型的精细和机械的完整，它做出的数据是目前的工业标准，有精确的材质定义和大量的属性数据。AutoCAD绘图的目的是通过模拟复杂的数据设计规则来生成工程图，广泛用于工业设计制造行业。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,3DMAX目前的主要用途在制作动画方面，由于它的交换格式3ds文件能有效的描述大多数三维模型，所以已经很多软件都支持这种格式，有的还把3DMAX模型作为自己的主要数据源。但3DMAX模型没有属性信息，也不支持自动建模。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中
9、国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,MultiGen建模主要是为了做视觉仿真，对于建筑物的屋顶等复杂对象，提供了丰富的模型库供选择。它做出的模型可以根据需要进行实时简化，并且可以将任意的多边形数据以一种高效率的结构组织，还能保存视觉仿真的控制元素。它的缺点是建模周期大，成本高。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,MultiGen-Paradigm公司和ESRI公司联合推出的产品SITEBUILDER 3D，可以根据Arc/Info二维数据以及建筑物的高度属性自动的重建三维模型，不过目前SITEBUILDER 3D自动建立的模型还只是平顶的立方体式的模型，不能有效的
10、表达屋顶的各种复杂形态。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,适普公司的IMAGIS 可以自动建立比较简单的模型，也有一些编辑功能，可以做出比较复杂的模型，并有100多种建筑物的屋顶模型。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型的数据生产工艺 三维城市模型的数据生产流程,三维城市模型数据生产计划,确定数据内容及其细节程度 通过集体研究，确定对总的目标真正最重要的有限事物，进而对需要三维建模的地物进行分类并设计每类地物应具有的属性数据项内容和结构； 任务分解 对工作区进行分区，并对分区进行命名和编号，便于全面准确把握、管理整个工作任务。,中国地质大学（武汉
11、）信息工程学院,细节程度最低的模型是常规的二维数字地图、数字正射影像及数字高程模型数据的符合，可宏观表达一个城市在平面上或在地形表面上的基本景观特征，但没有全面直观的三维表示； 现代数字摄影测量技术已能重构具有详细建筑细节和顶部结构的模型，但对于一些丰富的建筑细节仍要在此基础上进行大量人工交互建模才能完成；,多种细节层次的三维几何模型数据生产,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维符号模型分为三类： 具有几何形态的不变性和表面材质纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，可重复使用，如电杆、路灯模型等； 具有几何形态的随机性和表面材质纹理的相似性，具有重要的大小和位置特征，通过纹理图像表示，如树
12、木等； 具有几何形态与表面材质纹理表示的随机性，通过特定的随机函数模拟，如喷泉等。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,摄影测量数据自动建立的三维几何模型存在各种观测误差，需要人机交互式编辑和整饰工作。基本过程的步骤： （1）完整性编辑； （2）拓扑结构编辑，包括目视检查、特征码与用户码编辑、冗余面编辑、冗余模型编辑、拆分体相邻边的缝隙编辑、建筑物顶部三角网的编辑； （3）建筑物顶部同高编辑； （4）建筑物边缘垂直与平行编辑； （5）建筑物共面编辑。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,生产地物表面逼真纹理的方法： 简单的纹理图像可利用相似的颜色或材质等由计算机进行模拟，或直接从建筑设计大量采用的
13、纹理材质数据库中选用； 从高分辨率遥感影像获取； 进行实地拍摄。,逼真表面纹理图像数据生产,中国地质大学（武汉）信息工程学院,纹理数据产品的制作过程需满足以下条件： 确保主要的正面纹理完整真实，特别是地物临大街或道路的主要侧面； 影像在裁剪过程中应保持清晰，减少产生影像模糊的操作； 保持侧面纹理在水平视线上的正射状态，尽量减少影像的扭曲变形； 影像大小一般控制在512*512范围内，且像素数在长宽方向上尽量为2的幂；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,地物侧面纹理图像中其他地物的遮挡需要消除； 保持工作区内所有纹理影像色调的均衡； 纹理文件名称在整个数据采集区域内必须保持唯一，工作区名称+地物
14、编号+地物侧面编号； 确保纹理数据与几何面对应关系的正确性； 如果不同表面的纹理影像接近，则尽量使用相同的纹理数据。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,地物类创建与多媒体属性数据生产,逼真三维几何模型不是真正意义上的地物实体对象 需要进一步根据实地调绘资料确定各个几何对象之间的关系，将属于一个特定实体对象的所有几何对象组合成一个特征地物。 一般地物直接根据实际情况进行组合即可，对一些不需要严格区分的地物，可将多个明显不同的几何对象组合成一个特征地物，其整体属性以适当信息说明。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,数据从采集、加工、存档到使用，每一步都可能引入误差。如果了解不同处理阶段数据误差的来
15、源和特点，在每步数据处理过程中都能做质量检查和控制，就可以大大减少误差。误差分为系统误差和随机误差（偶然误差）两种。系统误差一经发现易于纠正，而随机误差则一般只能逐一纠正或采取不同处理手段来避免。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型数据生产的全面质量控制,1、三维城市模型数据质量分析,表1. 三维城市模型数据误差来源,中国地质大学（武汉）信息工程学院,数据质量分析和数据质量控制是三维城市模型数据质量问题的重要内容。目的在于分析和了解三维城市模型数据和产品中误差的性质、来源、类型和大小以及产生的原因，对系统数据和最终结果中的不确定因素进行模拟和估计，从而了解三维城市模型数据的可靠性和
16、可信度。,三维城市模型数据质量控制方法,中国地质大学（武汉）信息工程学院,三维城市模型数据质量控制的含义主要指在数据从采集到最后生成的一系列过程中，对可能引起误差的步骤和过程加以控制，对这些步骤和过程的一些指标和参数予以规定，对检查出的误差和错误进行修正，以达到提高系统数据质量和应用水平的目的。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,数据质量是一个相对的概念，甚至衡量数据质量的标准也会随具体应用的特点和要求而变化。其次，数据质量本身具有不确定性，除了可度量的空间和属性误差外，许多质量因素是很不明显或是很难确定的。因此，数据质量问题中，有可以减小甚至消除的误差，也有很难检测和控制的因素。,中国地质大学（武汉）信息工程学院,数据源选择中的质量控制,数据源选择中的数据质量控制在于选择质量满足系统和应用要求的数据源，这是决定三维城市模型数据质量的关键因素。源数据的获取完全参照已有标准和规范执行质量控制，比如根据三维城市模型数据的服务目的确定好其空间尺度以后，就可以选择相应比例尺的航空摄影规范和GIS数字线划图标准作为依据；,中国地质大学（武汉）信息工程学院,由于数据处理和使
