三维城市建模.docx

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三维城市建模

三维城市建模

✧技术流程

✧技术方法

✧数据信息

✧典型案例

1.三维城市建模技术流程

三维城市建模的技术流程

2.三维城市模型的数据与信息

三维城市模型的信息来源

三维城市模型的数据与信息

三维城市模型的4D产品

三维城市信息编辑与管理

三维场景

地形点云与建筑物模型

根据航拍影像自动提取建筑物模型

航拍的城市像片

自动或半自动提取的建筑物模型

自动或半自动提取的建筑物模型

自动或半自动提取的建筑物模型

倾斜摄影测量方法建立的城市街景

3.主要技术方法

3.1卫星遥感

遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。

目前利用人造卫星每隔18天就可送回一套全球的图像资料。

利用遥感技术，可以高速度、高质量地测绘地图。

3.2航空遥感

航空遥感从19世纪末非动力飞行平台的航空摄影、经过20世纪30年代至80年代初的胶片航空摄影，发展到目前的基于POS系统（PositioningOrientationSystem）对地定位的光学/数字、激光手段，无论在飞行平台，还是在成像、导航、定位定向等传感器上都发生了巨大的变化，使航空遥感技术朝着高空间分辨率、高光谱分辨率、全谱段和多传感器集成应用方向发展，呈现出蓬勃的生机。

1.胶片航空摄影

航空摄影作为遥感信息获取的重要手段之一，由于具有机动灵活、高空间分辨率、成像机理简明、易于进行图象处理、信息提取、信息综合等特点，被广泛应用于农业、林业、交通、国防、城乡规划、制图等领域。

航空摄影技术的发展最早可追朔到1839年人类利用“摄影术”成功获取的第一张像片。

二十世纪初，由于航空航天技术的发展，航空摄影开始兴起。

早期的航摄仪以手持式为主。

二十世纪五十年代，带坐架和导航设备的航摄相机开始问世并投入生产作业，其典型的代表有：

RMK、RC8、AφA等。

受技术所限，其像幅均为18×18cm，色差消除多限制在可见光范围内，物镜畸变差较大（大于10um）。

七、八十年代，推出了新一代航摄仪RC10、RC20、RMKA、MRB、LMK，像幅扩大到23×23cm，色差消除范围达400-900nm，物镜畸变差均小于7um，并具有影像位移补偿功能。

八十年代中后期，新一代性能更优、功能更强的航摄仪-RC30和RMKTOP问世。

与过去的相比，新型胶片式航空相机增加了陀螺稳定装置和飞行管理系统，不仅在影像分辨率和清晰度上有很大的改善，而且实现了航空摄影计划设计、导航及摄影过程的计算机控制，使航空摄影工作的自动化程度得到了极大的提高，为进一步的GPS辅助空三技术的推广应用奠定了良好的基础。

2.数字航空摄影

随着对地观测信息化、数字化的发展，航空遥感数据采集方式正在加快从胶片型摄影向数字型摄影方向转变。

20世纪90年代初，德国Zeiss、瑞士Leica等公司开始着手研发数字航空摄影系统，分别于90年代末期推出其首套航空测量型数字相机DMC（DigitalMappingCamera）和ADS40（AerialDigitalSensor）（FrancoisGervaix，2001）。

其中，ADS40航空数字相机采用CCD（ChargeCoupleDevice）线阵扫描方式，主要由3条全色波段扫描CCD（前视、垂直向下、后视）和垂直向下的3条多光谱CCD线阵组成。

全色波段的3条扫描线相互之间具有重叠度，可构成立体成像。

DMC航空数字相机则采用面阵CCD组合并带有前移补偿改善影像质量（ManfredEhlers，2005；MichaelCramer，2005）。

随后，奥地利Vexcel公司、德国的ZeissJena公司也先后推出UCD（UltraCameraDevice）面阵航空测量型数字相机和JAS150线阵航空测量型数字相机。

此外，还有德国宇航中心（DLR）的HRSC-A/AX等等。

与线阵数字相机相比，面阵CCD的优点是具有较好的几何精度，数据可直接应用于现有的数字摄影测量系统，为后期的数据处理提供了便利。

航空专业型小像幅数字相机主要以德国IGI公司的DigiCam14k/22k/39k、KODAKDCSPro、瑞典的哈苏（Hasselbald）相机和德国禄莱为主，均采用面阵结构，像素介于（3k-6k）×（4k-8k）之间，像幅仅为3cm×5cm左右。

航空数码相机可获取更加清晰的数字影像，但是其像幅较传统框幅式相机小，在同等条件下，为完成像片定向需要比框幅式相机更多的地面控制点。

因此，采用先进对地定位手段以减少对地面控制的依赖，是航空数字相机得以大规模产业化应用的前提。

3.机载激光扫描LIDAR

机载激光扫描系统主要由POS、激光扫描仪、电视摄像机组成。

通过接收反射激光束可以比较理想地获取地表、植被及人工建筑物等的高程信息。

扫描仪的位置和姿态由POS测定，光程由激光束的往返时间及扫描角确定。

获取的扫描信息处理后即可获得测区DEM/DTM及地表、植被、森林表面模型DSM，这些模型数据可广泛应用于国土资源调查、洪水等灾害的监测与评估、城市三维景观重建、海洋调查等领域。

LIDAR系统的发展可追溯到20世纪70年代。

以美国、加拿大、瑞典等海洋大国代表的西方先进国家为满足浅海测深和研究水下地形的需要，开发了发射波长在540nm左右的绿激光航空激光测深技术。

当飞行高度为200—800m、时速40—200km/h时，测深密度为4×4m2，水体清澈时最大测深可达70m，水平定位精度为±3m，测深精度±15cm。

该系统是声纳测深系统的重要补充，在大江大河水下航道探测及沿海大陆架浅海测深领域有广阔的应用前景（TimWerster，1999）。

经过10余年的试验研究，机载激光雷达技术取得了很大进展（AloysiusWehretal，1999；KarlKraus,2003）。

特别是近几年来，由于后续处理软件开发的日趋成熟，使之在遥感数据获取手段中占有越来越重要的地位。

最具代表性的商用系统包括：

加拿大Optech公司的ALTM3100EA与SHOALS1000、瑞士Leica公司的ALS40/50-II和德国公司IGI的LiteMapper5600/2800_5等。

3.3无人机遥感

1．基本原理

低空遥感技术是指以固定翼无人机、无人驾驶直升机和飞艇等低空飞行平台为载体，以高性能数码相机为主要传感器，灵活、快速、高效地获取测区高分辨率影像信息的航空遥感技术方法。

多种无人机飞行平台

低空遥感技术可用于中小范围内的巡查，更适合重点和热点地区的应急监测和重复监测；是卫星遥感和有人机航摄的有效补充，将成为航空遥感信息获取的重要手段。

2004年，在伊斯坦布尔举办的第20届国际摄影测量与遥感大会（ISPRS2004Istanbul）上通过的决议：

“无人飞行器（UAVs）提供了一个新的、可控的遥感数据获取平台”，“UAVs潜在地提供了一种比有人飞机遥感平台更迅捷、廉价的遥感数据获取手段”。

无人驾驶飞行器出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。

20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人驾驶飞行器系统的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。

世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人驾驶飞行器的类型已达数百种之多。

续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几千克到几百千克，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。

2．技术特点

低空遥感技术的技术优势主要有：

（1）快速响应能力

低空遥感系统运输便利、操作简单。

待命状态下两个小时内出动；到现场后一个小时内起飞；降落后20分钟内查看影像，可快速发现，快速核查和处理。

我国现阶段对低空域不实行管制，因此开展低空遥感工作不必申请空域，大大提高了应急相应能力。

（2）更强的天气适应能力

低空遥感系统飞行高度低，可采用云下飞行，受天气的影响较小，数据获取的时间窗口更宽。

大部分突发性地质灾害在汛期发生，因此采用低空遥感开展应急监测的适应能力更强。

（3）高清晰航空影像获取能力

因其飞行高度低，可获取5CM的高分辨率影像；可实时传输高清晰视频图像。

（4）飞控自动化操作简单

按照预设的飞行范围和航线自主飞行；机载相机自动控制。

（5）低使用和维护成本

平台构建、维护以及作业的成本极低。

正常情况下的支出：

系统使用的直接成本近乎零；主要是系统折旧费、人员费、交通费等。

随着大量实验生产的开展，低空遥感技术已日趋成熟，无人机遥感技术以其机动、灵活、快速反应能力和运行成本低等优势，正逐步成为航空遥感系统的有益补充，特别是在小范围的遥感应用中能发挥相当重要的作用。

近年来已成为一项空间数据获取的重要手段之一，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充。

（6）实用于危险区域的空中监测。

飞行平台无须载人操控，而且成本较低，在危险条件下开展应急监测工作的风险小。

无人机航拍影像

无人机遥感用于城镇规划

无人机遥感调查宝成铁路线109隧道崩塌

宝成铁路线109隧道崩塌现场照片

3.4倾斜摄影测量

倾斜摄影测量

倾斜摄影测量自动建模流程

倾斜摄影测量传感器及原理示意图

与传统摄影测量相比，倾斜摄影测量获取的数据具有以下特点：

（1）获取多个视点和视角的影像

（2）较高的分辨率和较大的视场角

（3）同一地物具有多重分辨率的影像

（4）多角度获取地面建筑物的侧面纹理。

（5）倾斜影像地物遮挡现象较突出。

倾斜摄影测量通过对获得的倾斜影像进行几何处理、多视匹配、三角网构建，提取出典型地物的纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终得到三维模型。

无需LIDAR等辅助设备，便可以提供逼真的建模场景和智能的处理流程，构建不同层次细节度（LoD）下的三角网模型，在精度、自动化、适应性及简洁性等方面都有着一定的优势。

倾斜摄影测量技术目前已在微软的VirtualEarth等系统中得到应用。

倾斜摄影测量的关键技术

倾斜摄影测量自动生成建筑物模型

4.典型案例

三维数字城市截图

三维城镇规划管理

三维城镇规划管理

三维深圳GIS系统截图

上海四川北路三维信息平台

地震灾害三维分析

三维数字城市信息系统