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自然资源遥感  2022, Vol. 34 Issue (1): 93-105    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021039
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基于多源数据集成的城市建筑物三维建模方法
宋仁波1(), 朱瑜馨2, 郭仁杰2, 赵鹏飞2, 赵珂馨2, 朱洁2, 陈颖2
1.无锡学院大气与遥感学院,无锡 214105
2.淮阴师范学院城市与环境学院,淮安 223300
A method for 3D modeling of urban buildings based on multi-source data integration
SONG Renbo1(), ZHU Yuxin2, GUO Renjie2, ZHAO Pengfei2, ZHAO Kexin2, ZHU Jie2, CHEN Ying2
1. School of Atmospheric and Remote Sensing, Wuxi University, Wuxi 214105, China
2. School of Urban and Environmental Science, Huaiyin Normal University, Huai’an 223300, China
全文: PDF(6760 KB)   HTML  
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摘要 

建筑物是城市的载体和形象表达,是城市的重要组成部分,建筑物三维模型是构建数字城市、虚拟城市和智慧城市的重要基础。针对现有的建筑物三维建模方法成本高、操作繁琐和复杂、劳动强度大的缺陷,提出一种基于多源数据集成的城市建筑物三维建模方法,并借助GIS建模技术实现了城市建筑物三维模型的自动构建。其主要原理和操作步骤为: 首先,以高分辨率卫星遥感影像、建筑物轮廓电子地图和全景影像为数据源,在遥感和GIS系统集成平台下,通过数据集成和预处理,提取出建筑物的几何边界、高度、楼层数和屋顶类型等空间信息和属性信息; 其次,提出基于结构实体几何模型的建模物主体结构建模方案,借助GIS建模技术,组合数据处理、文件转换、空间分析、三维分析和脚本程序等多种ArcToolbox工具,通过设计模型实现了建筑物三维模型的自动构建; 然后,通过纹理贴图技术实现模型的可视化; 最后,选择淮阴师范学院北校区实验区域进行建模实证。通过对建模过程和可视化效果进行分析表明,该方法具有实现成本低、操作简单、自动化程度高的特点,并且构建的模型能满足较高的精度要求,具有较好的可视化效果,可为大规模城市建筑物三维建模与可视化提供可靠的技术解决方案。

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宋仁波
朱瑜馨
郭仁杰
赵鹏飞
赵珂馨
朱洁
陈颖
关键词 城市建筑物三维建模多源数据集成遥感影像电子地图全景影像GIS建模    
Abstract

Buildings are important urban components because they serve as the carrier and represent the image of a city. Establishing the 3D models of buildings is a critical base for constructing digital, virtual, and smart cities. However, existing 3D modeling methods of buildings suffer the shortcomings such as high cost, tedious and complex operations, and high labor intensity. Given this, this study proposed a method for 3D modeling of urban buildings based on multi-source data integration. Meanwhile, this study achieved the automatic construction of the 3D models of buildings using the GIS modeling technology. The main principles and operations of the modeling method are as follows. First, high-resolution satellite remote sensing images, electronic maps of building contours, and panoramic images were integrated and preprocessed on a remote sensing and GIS integration platform to extract buildings’ spatial and attribute information such as geometric boundaries, height, floor number, and roof type. Next, this study proposed a scheme for modeling the main structures of buildings based on the constructive solid geometry (CSG) method. Then, the automatic construction of the 3D models of buildings was achieved using the GIS modeling technology, as well as multiple tools in the ArctoolBox window, such as combined data processing, file conversion, spatial analysis, 3D analysis, and scripts and programs. Afterward, the 3D models of buildings were visualized using the texture mapping technology. Finally, the north campus of Huaiyin Normal University was selected to verify the modeling method proposed in this study. As indicated by the analysis of modeling process and visualization effects, the modeling method proposed in this study is characterized by low cost, simple operations, and high automatic degree and can meet the high requirements of accuracy. Meanwhile, this method has great visualization effects and can provide reliable technical solutions for the 3D modeling and visualization of large-scale urban buildings.

Key wordsurban buildings    3D modeling    multi-source data integration    remote sensing image    electronic map    panoramic image    GIS modeling
收稿日期: 2021-02-07      出版日期: 2022-03-14
ZTFLH:  P962  
基金资助:国家自然科学基金项目“基于时空统计方法的多源遥感产品融合方法研究”编号(41401405);南京信息工程大学滨江学院人才启动经费资助项目“基于Internet的三维地质建模系统”编号共同资助(2020r015)
作者简介: 宋仁波(1974-),男,博士,讲师,主要从事GIS应用与开发的教学与研究工作。Email: srb_id2000@aliyun.com
引用本文:   
宋仁波, 朱瑜馨, 郭仁杰, 赵鹏飞, 赵珂馨, 朱洁, 陈颖. 基于多源数据集成的城市建筑物三维建模方法[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(1): 93-105.
SONG Renbo, ZHU Yuxin, GUO Renjie, ZHAO Pengfei, ZHAO Kexin, ZHU Jie, CHEN Ying. A method for 3D modeling of urban buildings based on multi-source data integration. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(1): 93-105.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021039      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2022/V34/I1/93
Fig.1  建筑物三维建模与可视化原理示意图
Fig.2  城市建筑物三维建模工作流程
Fig.3  多源建模数据的获取结果
Fig.4  建筑物楼层数提取过程及其结果
Fig.5  建筑物多边形轮廓提取、预处理过程及其结果
OID* Shape* 层数 层高/
m
屋顶高
度/m
倾斜角
度/(°)
名称
1 Polygon 6 3 3 45 宿舍1
2 Polygon 6 3 3 45 宿舍2
3 Polygon 6 3 3 45 宿舍3
4 Polygon 6 3 3 45 宿舍4
5 Polygon 6 3 3 45 宿舍5
6 Polygon 6 3 3 45 宿舍6
Tab.1  提取的建筑物空间和属性信息
Fig.6  建筑物侧墙的自动创建过程
Fig.7  建筑物侧墙生成结果
模型工具 统计项
数量/
操作
数/次
每次耗
时/s
总耗
时/s
迭代器工具(Iterate) 1 1 0.04 5.2
选择工具(Select) 1 1 1.79 232.7
拷贝要素工具(CopyFeatures) 1 1 2.65 344.5
要素结点转点工具(FeatureVerticesToPoints) 1 1 1.69 219.7
添加字段工具(AddFields) 1 1 0.52 67.6
依据属性要素转三维工具(FeatureTo3DByAttribute) 1 1 1.41 183.3
侧墙脚本程序 1 1 1.00 130.0
总计 1 183
Tab.2  侧墙建模实验统计
Fig.8  建筑物门窗自动创建过程
Fig.9  建筑物门窗自动创建生成结果
模型工具 窗户多边形
数量/
操作
数/次
每次耗
时/s
总耗
时/s
迭代器工具(Iterate) 1 1 1.08 140.4
选择工具(Select) 1 1 2.44 317.2
添加字段工具(AddFields) 2 2 0.60 78.0
计算字段工具(CalculateField) 2 2 1.07 139.1
拷贝要素工具(CopyFeatures) 1 1 4.10 533.0
要素结点转点工具(FeatureVerticesToPoints) 1 1 2.20 286.0
依据要素转三维工具
(FeatureTo3DByAttribute)
1 1 2.51 326.3
窗户脚本程序 1 1 1.00 130.0
总计 2 166.9
Tab.3  窗户建模实验统计
Fig.10  建筑物屋顶自动创建及其生成结果
模型工具 窗户多边形
数量/
操作
数/次
每次耗
时/s
总耗
时/s
迭代器工具(Iterate) 1 1 0.06 7.8
选择工具(Select) 1 1 0.72 93.6
缓冲区工具(Buffer) 2 2 1.00 520.0
添加字段工具(AddFields) 5 5 1.00 3 250.0
计算字段工具(CalculateField) 6 6 1.00 4 680.0
拷贝要素工具(CopyFeatures) 1 1 1.00 130.0
要素转线工具(FeatureToLines) 3 3 1.00 1 170.0
要素结点转点工具(FeatureVerticesToPoints) 1 1 1.00 130.0
创建TIN(3)工具(CreateTIN) 1 1 1.92 249.6
创建TIN(4)工具(CreateTIN) 1 1 0.91 118.3
TIN拉伸工具(ExtrudeBetween) 1 1 1.5 195.0
总计 10 349.3
Tab.4  屋顶建模实验统计
Fig.11  三维差积脚本工具界面及其生成结果
模型工具 侧墙和窗户模型
数量
/个
操作
数/次
每次操作
时间/s
每次运行
时间/s
汇总/
s
脚本 1个 130 5 4.45 13 421.2
Tab.5  侧墙模型细化实验统计
Fig.12  模型纹理贴图效果
Fig.13  建模实验区概况图
Fig.14  建筑物屋顶模型自动创建及其生成结果
建模方法 建筑物多边形
数量/
操作
数/次
消耗时间 建模
对象
ModelBuilder建模 130 3 7.5 h 侧墙、门窗和屋顶
SketchUp手工建模 130 36 614 14 d 侧墙、门窗和屋顶
Tab.6  建筑物建模实验对比统计和分析
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