基于数字摄影测量的三维模型建立方法探讨与研究

梅永达，石国印

（天津市建筑设计院岩土工程中心测绘所，天津 300074）

1 前言

数字城市(Digital City)源于数字地球的战略构想，是数字地球的核心部分。数字城市建设是城市信息建设的基础设施，是城市规划、管理必不可少的基础数据依托，信息时代发展的必然产物。

在数字城市中，建筑物是最重要的部分，在数字城市中，建筑物的三维建模是非常重要的工作。随着测绘技术的迅猛发展，地理信息系统(GIS)和遥感（RS）的应用研究日趋深入，使得各种丰富多样的信息能够以空间为基础有机的结合起来，人们越来越多地要求从三维空间来处理问题，对于大中城市，特别是居民密集的区域，房屋的三维立体数椐采集工作量是非常大的。本文主要介绍基于数字摄影测量三维模型建立流程及相关规范。

2 摄影测量建立数学基础

传统的摄影测量以航空摄影测量为主，主要是用于测绘地图。但是由它获取的影像，其信息远比地图丰富与直观，因而近代发展了影像图的生产与应用；同时摄影测量与地面测量不同，摄影测量能够直接获得房屋屋顶、树林表面的三维坐标，从而为三维地图——城市的三维几何建模奠定了基础。加之计算机与三维可视化技术的迅速发展，使得城市三维建模正在逐步成为现实。

从摄影测量与遥感的角度，城市建模从本质而言应该分为几何建模(geomet rical modeling)与纹理建模(texture map2ping)两部分组成，它由：1）正射影像与DEM构成三维地形表面；2）由房屋的几何模型与纹理构成三维建筑物；3）以及三维的植被（森林）与其它地物所组成。关键的是第一、二两部分，根据要求、原始资料的不同，进行城市建模的方案也不相同。对地面的纹理要求不高的城市建模，正射影像可以采用卫星图像与DEM构成；而高要求的应采用航空影像与DEM构成。如果要对屋顶进行建模，就必须应用航空摄影的影像；若对屋顶的三维建模要求不高，房屋的几何建模可以由数字线划图实现，房屋的高度一般根据楼层的数目进行估计。但是，无论是航空影像、还是卫星影像均不能清晰地反应房屋的墙面纹理，当前解决墙面纹理的方法多是以地面人工拍摄的方法获取。摄影测量方法建立三维模型的技术流程如下图1：

图1 数字城市建模整体设计方案

3 基于数字摄影测量方法的几何建模

几何建模包括数字地面模型DEM的建立与地物三维空间数据的提取。

3.1 DEM的建立

DEM可从航空立体影像对或高分解率卫星立体影像对、采用影像匹配技术自动提取（有时也需要一些人工编辑）；也可以由LiDAR数据经编辑直接提取；也可利用已有地图扫描数字化的矢量化等高线、采用等高线保形的DEM内插法生成。在数字城市中，基本上还是采用矩形格网或三角格网的DEM。

3.2 地物（主要是房屋）三维空间数据的获取

利用摄影测量航空航天立体影像对的方法获取地物的三维信息，目前主要是在数字摄影测量系统上以人工立体量测的三维测图方式提取。若对屋顶的三维建模要求高，顶部纹理利用航空影像贴图，高度采用摄影测量立体读取的方法直接读取，若对屋顶的三维建模要求不高，也可利用已有地图扫描数字化的矢量数据（或者地面测量数据或者GIS中已有的矢量数据）。若获取的矢量数据只是二维的，则房屋的高度可以根据楼层数推算。

4 摄影测量三维建模关键技术

图2 航空影像进行城市建模的结果

图3 矢量数据（无航空影像）建模的结果

三维测图在城市三维建模中是最根本的环节，城市真实三维数字模型建筑物的三维空间坐标的精度完全取决于三维测图的精度。三维测图的内容主要包括：建筑物的采集、植被的采集和墙体的采集。进行三维建筑模型的采集时，所采集的每一个建筑模型（包括分割的建筑模型）都要求由一笔画成，为建立城市三维立体模型而进行的城市建筑物数据采集则不同于一般测图的数据采集。

4.1 采集房屋高程信息

利用数字摄影测量工作站在立体环境下采集房屋高程信息，主要包括：高程信息和三维多段线，高程信息主要指采集房顶高程以及地面高程，用三维点表示，三维多段线主要采集房顶女儿墙、房檐边线和各种房顶造型，三维数据采集完成后，先将采集结果转为DWG格式与1∶500地形图或1∶2000地形图数据进行叠加对此，以查找漏测的信息，并进行及时补测，将采集的数据进行统一分层管理。

4.2 整理房屋高程信息

将采集的三维数据成果，与对应1∶500图地形中的房屋图层在CAD软件中进行叠加。将个各层中数据进行整理。数据整理之后保证图中房屋图层各闭合多段线内有且仅有一对高程点，即房屋高程和地面高程。将整理好的数据计算生成boundary，并将计算结果转入“二维多段线”层中，结合采集的高程点对，将二维多段线并转为三维多段线

4.3 导入3Dmax制作房屋模型

将DWG文件中的房屋图层导入3Dmax。在3Dmax中用脚本文件生成房屋楼体模型、女儿墙和屋顶造型，将同一个建筑的楼体模型和屋顶造型模型附加成为一个物体，然后结合航空影像和外业拍摄的照片给模型贴指定纹理材质。

摄影测量方法建立三维模型过程效果如下图4、图5、图6、图7所示：

5 结论

图4 真彩色航空正射影像

图5 立体采集建筑物的三维矢量图

图6 正射影像图与三维矢量叠加

数字城的建立是一个非常庞大的、复杂的、长期的系统工程，它需要多部门、多学科之间的长期的合作才能逐步实现的，我们应把它作为长期奋斗的目标。城市建模是数字城市的基础，它无论在理论上、技术上均刚刚开始，不少关键问题与技术仍然没有解决。其中城市建模的标准、规范将还没有建立，这些都还有待逐步完善。

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