精细化管理模式下城市级三维模型关键技术分析

近几十年来，随着地理信息系统的研究不断深入以及三维可视化技术的不断发展，智慧城市管理质量的不断提升，对城市空间数据也提出了更高的要求，三维 GIS（地理信息系统）越来越受到重视，而城市三维场景是三维地理信息系统的核心，也是最直观体现给用户真实感的信息，在城市三维场景多要素管理的前提下，如何能快速生成高精度、高真实感的城市三维模型是研究领域的热门。本文从城市三维模型场景构建实验入手，对比了当下主流的城市三维场景构建方法，综合考虑后以无人机倾斜摄影测量技术构建城市三维模型为基础。为解决城市要素单体化问题，根据城市建筑体在城市精细化管理中的重要程度，对城市建筑体采用 V0、V1、V2 三个精细度阶层逐一开展研究，并且根据城市部件的相关性，用参数化的方式来构建城市部件模型，更好的满足城市快速构建模型需求。最后结合 OsgEarth 与 QT 初步实现了基于倾斜模型的城市三维可视化系统的开发，验证了本文成果。
第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着计算机技术科学和地理信息技术的快速发展，城市信息化进程的不断推进，地理信息数据采集方式越来越多样化，人们对计算机呈现的方式要求也越来越高，如何解决高速发展的城市建设和精细化城市管理，成为亟待解决的问题[1]。从我国住建部于2012 年 7 月第一次提出开展智慧城市示范工程算起，到目前也已经过去 8 个年头[2]。这段时间里，智慧城市在各行各业快速发展，广泛用于城市信息化发展建设中，成为地理信息资源可持续发展的重要“武器”[3]。随着智慧城市规划的飞速发展，城市复杂程度的不断提升，传统二维的空间数据例如：平面城市导航地图、遥感影像地图、二维 DLG（数字线划图）等，确实能够表达城市现状信息，达到一定的城市规划管理的效果，但随着各行各业对于三维 GIS（地理信息系统）服务的不断探索，传统的二维空间数据始终无法完美的呈现出完整、真实的、现势的城市建设状况，并且在数据的表达和分析方面存在明显的局限性，继而不能满足人们在城市现代化建设和现代化管理过程中的需求[4]。具有丰富信息的三维空间数据的出现，给予了三维 GIS 服务新的活力，三维空间数据凭借着生动、直观的视角能够较为形象地对现有的复杂地理空间数据信息进行显示与处理，因此在城市规划、管理、建设以及服务方面有着重要意义[5]。一个真实的虚拟环境三维场景是三维 GIS 服务乃至智慧城市建设的基础及核心内容，空间信息数据进行三维可视化后会更容易使人们快速理解和接受[6]。因此城市三维建模技术是数字城市建设的关键一环，传统的城市三维场景构建大都依赖于 3DS Max、Sketch Up 等三维建模软件，这种场景构建方法需要大量的人力物力，属于劳动密集型工作，在三维模型修改处理方面也是冗余度高加上周期长、成本高以及真实度不够等缺陷，单纯的使用手工建模难以满足数字城市建设的需求[7,8]。随着信息技术的发展，倾斜摄影测量技术的兴起，给城市三维场景建模带来了新的“火苗”，该技术通过在同一平台上，通常是在无人机平台上搭载多个传感器，同时从一个垂直角度以及四个倾斜角度采集影像数据，通过上百张甚至上万张影像快速有效地获取丰富的影像数据信息，经过倾斜摄影测量技术衍生出的处理软件进行自动化建模处理，得到城市真三维模型，满足人们对三维信息的需求[9,10]。由于倾斜测量技术构建的模型具有真实的定位，误差定位在严格控制下能够达到毫米级，能够更真实地反映地物的实际情况使其真实再现，为用户营造一个栩栩如生的环境，成为高效构造城市三维场景的新方法
1.2 相关研究现状

美国的戈尔于 1998 年初次提出了数字地球观点[18]。将当下的城市信息以数字化，以空间位置信息为关联点整合各类地理信息数据，加以有效利用，实现了“秀才不出门，能知天下事”。此概念延伸到城市，使得城市化建设得以新的活力，引起了我国各界的高度重视[19]。在 2006 年，国家测绘局开始了以 30 个城市作为数字城市建设试点，开展各种地理信息数字化应用事务[20]。并在 2010 年，为促进数字化城市建设工作，再次下达相关指示（国测国发[2010]48 号），提出当前建设过程中存在的问题，并对未来的发展方向进行规划[21]。2016 年，李维森（国测局副局长）在会议中表达了对数字城市建设即将完成的期望，我国对城市的建设愈发强大[22]。随着科学的进步与发展，对数字城市的要求也在不断提升，目前最常见的方式是采用物联网与云计算结合的方式实现智慧城市的建设[23]。李德仁院士对智慧城市进行了定义，认为智慧城市的基础就是数字城市，将其利用物联网加以实现，再采用云计算的方式对现实世界进行感知，从而使得整座城市拥有智慧，以便能更好的为人民服务[24]，智慧城市集合关系图如下图 1-1 所示。

第2章 城市三维场景构建方法

随着我国城市信息化进程的不断推进，智慧城市建设愈演愈烈，城市三维场景作为智慧城市重要的数据源，在智慧城市建设中占据着极其重要的作用，由此带动的城市三维场景构建方法也越来越广泛。城市三维场景构建是在计算机硬、软件的支持下，利用三维可视化技术，精准的模拟出现实世界的模样，打造一个与现实世界相关的虚拟世界。城市三维场景构建核心是根据一定的空间坐标来创建空间三维模型，一般是利用相关建模工具或是三维可视化渲染引擎进行绘制来得到相应三维模型的位置坐标、尺寸、形状等几何属性，在此基础上构建三维模型，最后通过纹理像素坐标与模型坐标相对应的空间关系，进行纹理映射，生成精细的模型。在城市三维场景构建方法的发展中，衍生出三种主流的构建方法：①基于建模软件的构建方法、②基于无人机倾斜摄影测量技术的模型构建方法、③基于三维激光点云的模型构建方法。以下重点对这三种城市三维场景构建方法进行介绍。

2.1 基于建模软件的模型构建方法

基于建模软件的模型构建方法是以前最常用的一种城市三维场景构建方法，主要是根据二维 GIS 数据，大都采用 DLG（数字线划图）为基础地图，结合谷歌影像地图、外业采集的实地照片以及相关建筑高度、层数、结构等记录数据，利用相关的人工建模软件（3DS Max、SketchUp、CAD 等）进行构建城市三维场景的方法[64]，其流程图如图2-1 所示。

2.2 基于无人机倾斜摄影技术的模型构建方法

近年来，随着无人机技术、三维自动建模技术的不断进步，无人机倾斜摄影测量技术也愈加完善，该技术凭借着无人机高空拍摄的优势，能够以极大视角来获取地表地物的空间信息，在建筑物三维模型构建中占有独特优势[73]。无人机倾斜摄影测量技术是一项新兴技术，通过在同一平台上，通常是在无人机平台上搭载多个传感器，同时从一个垂直角度以及四个倾斜角度采集影像数据，通过上百张甚至上万张影像快速有效地获取丰富的影像数据信息，再经过倾斜摄影测量技术衍生出的处理软件进行自动化建模处理，得到城市真三维模型，满足人们对三维信息的需求[74]。倾斜实景模型构建基础数据主要包括无人机航测影像、外业 POS（position andorientation system）数据、外业像控点、调绘实地照片和坐标系说明文件等数据，为保证三维模型构建成功，前期数据采集和整理是极为重要的一步，包括对航测回来的影像进行检查，避免二次返工，同时也确保了项目精度[75]。基础数据的采集和整理的流程图如图 2-7 所示。

第 3 章 城市建筑体三维建模方法研究..........................................................................................24

3.1 基于 DLG 快速构建三维白模............................................................................................24

3.1.1 基于 DLG 快速构建三维白模算法过程................................................................26

3.1.2 实验及效果..............................................................................................................26

3.2 基于建筑纹理库的纹理映射..............................................................................................27

3.3 基于 DP-Modeler 精细化建模............................................................................................30

3.3.1 数据准备..................................................................................................................31

3.3.2 精细单体化模型构建实验......................................................................................31

3.3.3 Mesh 地表模型修饰实验.........................................................................................33

3.4 本章小结..............................................................................................................................34

第 4 章 城市部件三维模型库参数化设计......................................................................................35

4.1 城市部件分类编码..............................................................................................................35

4.2 城市部件三维数据采集......................................................................................................36

4.3 城市部件三维库构建..........................................................................................................39

4.4 城市部件映射关系设计......................................................................................................41

4.5 本章小结..............................................................................................................................45

第 5 章 系统设计与实现..................................................................................................................46

5.1 系统开发环境......................................................................................................................46

5.2 系统总体设计......................................................................................................................46

5.3 城市三维数据可视化模块..................................................................................................47

5.3.1 OsgEarth 数据组织及渲染过程...............................................................................47

5.3.2 基于 QT 界面的图形显示 ......................................................................................49

5.4 城市部件参数化模块..........................................................................................................50

5.5 城市三维模型编辑与应用模块..........................................................................................51

5.5.1 线面绘制..................................................................................................................51

5.5.2 三维量测..................................................................................................................52

5.5.3 模型压平..................................................................................................................53

5.6 城市三维数据查询模块......................................................................................................54

5.7 本章小结..............................................................................................................................55

第6章 总结与展望

6.1 总结

近几十年来，随着地理信息系统的研究不断深入以及三维可视化技术的不断发展，智慧城市管理质量的不断提升，对城市空间数据也提出了更高的要求，三维 GIS（地理信息系统）越来越受到重视，而城市三维场景是三维地理信息系统的核心，也是最直观体现给用户真实感的信息，在城市三维场景多要素管理的前提下，如何能快速生成高精度、高真实感的城市三维模型是研究领域的热门。本文从城市三维模型场景构建实验入手，对比了当下主流的城市三维场景构建方法，综合考虑后以无人机倾斜摄影测量技术构建城市三维模型为基础。为解决城市要素单体化问题，根据城市建筑体在城市精细化管理中的重要程度，对城市建筑体采用 V0、V1、V2 三个精细度阶层逐一开展研究，并且根据城市部件的相关性，用参数化的方式来构建城市部件模型，更好的满足城市快速构建模型需求。最后结合 OsgEarth 与 QT 初步实现了基于倾斜模型的城市三维可视化系统的开发，验证了本文成果。本文所做的工作总结为以下几点：

(1)研究当前城市精细化管理的矛盾点。总结了部分学者在城市三维建模技术以及城市模型单体化技术方面所做的工作和所采用的方法，指出了当下使用技术虽然有很多优势但也存在一些问题，在此基础上，针对城市三维模型综合管理需求提出本课题的技术方法和技术手段。

(2)研究目前主流的三种城市三维场景构建方法：基于建模软件的模型构建方法、基于无人机倾斜摄影测量技术的模型构建方法以及进基于三维激光点云的模型构建方法。详细阐述了各个方法从基础数据采集与整理到三维场景的构建过程，并从时间成本、建模精度、适用性等方面进行分析总结，综合考虑后选用无人机倾斜摄影测量技术构建城市三维模型。

(3)由于无人机倾斜摄影测量技术构建城市三维模型存在无法实现对象管理，针对三维建模的特点，本课题提出一种实现离散化构建的城市三维要素方案：①城市建筑体三维建模。在获取 DLG 以及航测影像数据的基础上，创建 V0~V2 三阶梯层精细化构建系统，分别展开相应实验，重点展阐述了利用 DP-Modeler 精细化单体化的过程，为城市建筑体精细化构建提供了良好的数据支撑。②城市部件三维模型库建模。制定城市部件采集编码规范，利用 3DS Max 丰富的建模方式，打造一个全面完整的城市部件三维库，结合实测部件点数据，采用以点数据动态化加载的方式，对城市部件三维设施加以模型数据库索引，快速参数化构建城市部件。