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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2中国地质大学（武汉）信息工程学院3三维城市模型的数据内容与细节程度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4三维城市模型三维城市模型 数据内容数
2、据内容现实世界设计者对现 实世界的认 识三维 模型三维 场景接受者对 现实世界 的认识图1. 三维空间信息传输模式中国地质大学（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63DCM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
3、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。73DCM的应用3DCM交 通规 划环 保地 质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
4、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）信息工程学院三维城市模型DEMDOM地物三维模型数据多媒体属性数据图2、三维城市模型数据生产的内容中国地质大学（武汉）信息工程学院uu2 2、细节层次（、细节层次（LODLOD ）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。10中国地质大学（武汉）信息工程学院1 1在3DCM的数据表达中，纹理可代替部分几何
5、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，如何平衡如何平衡3DCM3DCM的几何与纹理数据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。12中国地质大学（武汉）信息工程学院13 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
6、城市模型数据的获取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
7、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17CAD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
8、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
9、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
10、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
11、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27DPW摄影测量数据GIS数据3DCAD数据表面几何自动重建DEM几何模型编辑模型嵌入纹理图像采集纹理图像处理纹理映射多媒体属性数据录入三维城市模型 数据库三维几何模 型数据生产表面纹理图像 数据生产中国地质大学（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工艺三维城市模型的数据生产流程三维城市模型的数据生产流程特征编码 数据3DS/MAX 三 维设计模型三维建模与编辑平台实地拍摄 纹理影像三维城市景观模型数据转换、模型编辑 、纹理映射、属性定 义多
12、 媒 体 属 性 数 据正射影像数字高程模型贴 面 纹 理 影 像图 象 处 理三维城市建模流程图 三维城市模型数据生产计划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。29中国地质大学（武汉）信息工程学院30 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
13、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。 31中国地质大学（武汉）
14、信息工程学院32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）信息工程学院控制点坐标影像定向参数质量检测与元数据 文件记录导出ASC文本格式数据检查 编辑 修改人工测量建筑物顶部 轮廓特征点/线人工选择地物类和用户码建立立体模型数字影像图纸数字摄影测量工作站交互式数字摄影测量采集城市
15、三维数据流程图 34生产地物表面逼真纹理的方法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
16、2的幂；35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。36中国地质大学（武汉）信息工程学院37地物类创建与多媒体属性数据生产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源和 特点，在
