引用本文
马静, 刘祥磊. 三维可视化在城市旧区改造建设中的应用[J]. 国土资源遥感, 2014,26(3): 170-174
MA Jing, LIU Xianglei. Application of 3D visualization to the reconstruction of urban old districts[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2014,26(3): 170-174  
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三维可视化在城市旧区改造建设中的应用
马静1, 刘祥磊2,3
1.北京市地质工程勘察院,北京 100048
2.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 100044
3.现代城市测量国家测绘地理信息局重点实验室,北京 100044

第一作者简介: 马 静(1982-),女,工程师,研究方向为城市遥感与地理信息系统。Email:majingjing2001@163.com。

收稿日期: 2013-06-19
基金: 现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室开放课题项目(编号: 20111224N)资助
摘要

城市旧区改造建设已经在许多城市中广泛开展起来,为了保留城市旧区改造基地的三维原始状态资料,同时辅助决策层制定动拆迁的方针,研究了以航空立体像对为数据源进行动拆迁基地三维建模的方法。利用已知航空影像对的内外方位元素,采用徕卡摄影测量软件包制作动拆迁区域的数字正射影像,在此基础上采用ERDAS软件的Stereo Analyst模块建立数字表面模型,同时进行纹理制作与映射,最后利用3D Matrix软件实现三维可视化分析。结果表明,该方法建模速度快、精度高,可快速、准确地实现动拆迁基地的三维可视化。

关键词: 三维可视化; 徕卡摄影测量软件包(LPS); 三维建模
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2014)03-0170-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2014.03.28
Application of 3D visualization to the reconstruction of urban old districts
MA Jing1, LIU Xianglei2,3
1. Beijing Institute of Geo-Engineering and Exploration Beijing, Beijing 100048, China
2. School of Surveying and Mapping Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
3. Key Laboratory for Urban Geomatics of National Administration of Surveying, Mapping and Geo-Information, Beijing 100044, China
Abstract

The reconstruction of urban old districts has been implemented in many cities. In order to retain the three dimensional original status of the old district and develop the housebreaking policy for decision makers, the authors studied the method of three-dimensional modeling for demolition and relocation base with the aerial stereo pair image as the data source. With the known intrinsic and extrinsic parameters of the aerial stereo pair image, the DOM of the corresponding district was made by the LPS software. On the basis of the DOM, the DSM of the district was established by the Stereo Analyst model of ERDAS software. Meanwhile, texture extraction and mapping was done. At last, three dimensional visualization and analysis were made with the 3D Matrix software. The experimental results show that the proposed modeling method has a high speed and accuracy, and can quickly and accurately achieve the three-dimensional visualization of demolition and relocation base.

Keyword: three-dimensional(3D) visualization; Leica photogrammetry suite(LPS); three-dimensional modeling
0 引言

三维可视化技术是随计算机技术迅速发展起来的一门新的计算机图形技术, 是直观地表达、分析空间信息的有效手段[1]。三维GIS是目前国内外GIS界研究的热点。与二维GIS相比, 三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受, 它以立体造型技术给用户展现地理空间现象, 不仅能够表达空间对象间的平面关系, 而且能描述和表达它们之间的垂向关系[2]。基于三维GIS进行的三维可视化研究已经广泛应用在城市规划管理、规划设计、市政建设、住宅产业发展、土地监测管理、环境监测评价、地质灾害防治与城市可持续发展战略研究制定等方面[3, 4]。城市旧区改造建设是事关区域经济社会发展及民生的重要工作, 现在已经在许多城市中广泛地开展起来, 但是城市旧区改造建设从启动、推进、收尾、开工到施工等重点环节都面临不少难题。本文采用三维可视化技术对部分关注度较高的重点动拆迁基地项目进行监测试验, 利用现状数据重建(包括建筑物、道路及绿化等)的三维模型, 以数字化、三维化和虚拟化的形式反映其现状, 既可以保留该基地的三维原始状态, 又可以用三维形式形象地表达未来状况, 辅助决策层制定动拆迁的方针。

目前三维建模可以大体分为4类: ①直接采用三维建模软件进行建模, 如3DMAX和AutoCAD等, 该方法能逼真地表示城市的精细结构和材质特征, 但所建的模型不能表示真实的地理位置; ②利用二维GIS的线画图和每个线要素的高度属性进行三维建模, 该方法只局限于较规则建筑物的三维建模, 并且线画图的高度属性通常情况下是未知的; ③利用三维激光技术进行三维建模, 该方法成本太高; ④采用数字摄影测量方法进行三维建模, 该方法以航空或遥感影像立体像对为数据源, 采用数字摄影测量技术高效获取目标点的三维坐标及相对关系, 从而可迅速进行三维建模[5, 6, 7]。

数字摄影测量被认为是当前最适于用来获取大范围高精度三维城市模型数据的主要技术手段之一[8, 9]。高分辨率卫星遥感的发展为三维城市建模提供了新的信息源, 如IKONOS图像和QuickBird图像的分辨率已经达到了0.6~1 m, 而航空图像的分辨率更是优于0.5 m。利用数字摄影测量技术不仅能方便快捷地进行数字线划地图(digital line graphic, DLG)、数字高程模型(digital elevation model, DEM)和数字正射影像(digital orthophoto map, DOM)的制作, 而且还能通过立体像对提取建筑物的高度属性及相应纹理。基于此, 本文提出了一种以航空立体像对为数据源, 采用数字摄影测量技术实现动拆迁基地三维可视化的方法。

1 基于航空立体像对的三维建模

采用数字摄影测量技术进行三维建模, 数据源可以是高分辨率卫星图像, 如IKONOS图像和QuickBird图像, 也可以是近年来发展迅速的航空图像。航空图像相对于高分辨率卫星图像, 其分辨率更高, 数据获取更加灵活、便捷, 已经成为利用摄影测量技术进行三维城市建模的主要数据源[10]。徕卡摄影测量软件包(Leica photogrammetry suite, LPS)是由徕卡公司开发的一个专门处理摄影测量方面的软件包。本文以航空立体像对为数据源, 采用LPS软件和3D Matrix, 在无需获取地面控制点的条件下, 直接利用内外方位参数对输入的航空像对进行自动关联和正射纠正, 从而进行动拆迁基地的三维建模和三维可视化分析。图1是本文基于航空立体像对的动拆迁基地三维可视化流程图。

图1 动拆迁基地三维可视化流程图Fig.1 Flowchart of 3D visualization of the demolition and relocation base

1.1 航空立体像对及相应参数的获取

目前获取航空立体像对通常是经过数字摄影测量技术获取的数字影像。但如果数据源是航片, 则需要先扫描成数字影像。相应参数是指拍摄影像的相机的内方位参数和航空立体像对的外方位参数。

内方位参数定义了在图像获取时相机或其他传感器的内部几何构造, 它主要用于进行从图像像元坐标(或其他图像坐标测量系统)到像平面坐标系统的转换, 主要包括焦距、像主点和镜头畸变, 如图2所示, O点是像主点, A点是像点。

图2 内方位参数几何示意图Fig.2 Geometry of interior orientation parameters

外方位参数定义了拍摄航片时相机的位置(XO, YO, ZO)和角度ω , φ , κ , 如图3所示。

图3 外方位参数几何示意图Fig.3 Geometry of exterior orientation parameters

1.2 采用LPS制作DOM

在无需地面控制点和DEM的条件下, LPS可以对图像进行正射纠正, 并且能获得较高的精度。在获取航空立体像对及相应的内方位参数和外方位参数后, 可以直接进行图像自动关联和正射纠正。处理步骤如下:

1)新建工程并导入图像。导入图像并确定图像的投影坐标系统, 并且要导入每个像片的外方位参数, 确定飞机的飞行高度。

2)定义相机模型。相机模型需要定义相机的焦距、像主点和相机CCD传感器的像元大小。

3)自动采集航空立体像对关联点。选择并关联影像同名点是非常耗时的, LPS可以自动提取特征点, 将这些特征点进行自动识别与匹配, 动拆迁基地区域一般建筑物密集, 结构较为复杂, 如果点分布不均, 可再次产生更多的联结点, 自动量测的工作量就非常庞大, 需要一直做到合格为止。自动量测后, 需要通过左右窗口查看每一个连接点是否符合精度, 如果精度没有达到要求, 就要将其删除, 或者重新定位。

4)执行空中三角测量。重新调整计算各个像片的外方位参数, 提高外方位参数的精度, 并且计算每个关联点的空间坐标。通过三角测量的结果进行方差检验, 若达到精度要求, 则选择接受此测量结果。

5)生成正射影像。设定像元重采样大小和采样方法以生成正射影像。如果操作区域属于平坦地区, DTM可以直接设定成固定值。本文实验区的动拆迁基地面积较小, 属于平坦地区, 故DTM设定了一个固定值。

1.3 采用Stereo Analyst制作三维模型

利用LPS制作成航空立体像对的正射图像后, 基于图像的传感器模型, 2幅图像的重叠区域在ERDAS软件Stereo Analyst模块中可以制作为数字表面模型(digital surface model, DSM), 产生三维立体效果。通过DSM可以实现对影像三维信息的解译、收集和可视化, 因此DSM通常是收集三维GIS数据信息的主要数据源。在收集三维GIS数据的过程中, 三维浮动游标通常分别位于左右2幅图像中, 且其中一个三维浮动游标常显示在兴趣点的上方、下方或者直接位于其表面, 通过调整视差, 可以实现对目标三维信息的提取。为了确保三维GIS数据的精度, 在提取三维GIS数据的过程中, 三维浮动游标的高度需要不断地调整以确保其直接落在收集目标要素上。例如: 采集一条道路的三维信息, 一定要调整三维浮动游标的高度使其精确地直接附在道路表面, 在这种情况下, 道路的高度和三维浮动游标的高度是一致的。最终, 带有三维信息的建筑物、道路及河流等要素的信息可以迅速、精确地从航空立体像对制作的DSM上提取出来。

1.4 纹理的制作与映射

纹理图片制作和贴图是建立城市三维景观过程中工作量最大、费时最长而且最为细致的工作。纹理图片制作与贴图是同步进行且紧密联接的2个环节, 缺一不可。动拆迁基地的三维可视化是为了通过三维方式详细显示基地的真实状况, 所以三维模型的纹理制作必须与实际吻合, 这就需要在实际中拍摄大量的照片, 包括建筑物表面、道路两旁的店铺、道路和绿化带等。

为达到纹理的最佳显示效果, 实际拍摄的照片应该是正射的, 但是在动拆迁基地中, 由于建筑物密集, 很难实现对目标的正射拍摄, 所以需要对目标物进行连续拍摄, 经Photoshop处理合并后, 制作成纹理, 并且要确保拍摄时光线和拍摄角度相一致。建筑物的屋顶和绿化带通过相机地面拍摄通常不能获取, 故可以通过航空图像采集获得。对于树木和人等独立的小目标纹理, 可以通过纹理背景透明制作而成。

1.5 三维漫游

3DMatrix是一个可视化的三维地理信息数据综合处理平台。它以MapMatrix成果、3DS文件及3D文件等为数据源, 实现了快速三维建模、三维空间信息管理、属性查询、海量数据实时快速漫游及三维场景逼真渲染等功能, 为用户提供了一个可视化的三维地理信息处理平台, 真正让地理信息数据处理实现“ 所见即所得” 。在完成上述步骤后, 将DEM, DOM和DSM导入到3DMatrix即可实现对该基地的三维可视化分析, 通过设置路线和高度, 可实现动拆迁基地的三维场景漫游, 并可以单独录制为AVI文件。

2 实例分析

实验数据是某城市的旧区, 需要对该旧区改造, 进行动拆迁。图4是由该小区的航空立体像对制作的正射图像的叠加图, 图中矩形区域是本次试验的动拆迁基地。

图4 试验区域正射图像的叠加图Fig.4 Overlay of orthophoto images of test area

2张航片外方位参数和相机参数已知(表1), 拍摄航片的是数字航摄相机(digital mapping camera, DMC), 焦距120 mm, CCD像元像元尺寸12 μ m, 分辨率7 680像元× 13 824像元。

表1 航片的外方位参数 Tab.1 Exterior orientation parameters of aerial photos

动拆迁基地的三维可视化是为了反映基地现状, 通过动拆迁基地三维可视化总体示意图可以从总体上把握动拆迁基地的概况, 为动拆迁决策者提供辅助支持; 同时还制作动拆迁基地内某主干道及两旁的建筑物与居民小区的三维可视化示意图, 这种图可以从细节上掌握动拆迁基地内部的详细情况, 为基地的动拆迁奠定基础。图5为动拆迁基地三维图, 图6为动拆迁基地内部场景的三维示意图。

图5 动拆迁基地三维图Fig.5 3D map of the demolition and relocation base

图6 动拆迁基地内部场景的三维示意图Fig.6 3D schematic diagram of scenes in the demolition and relocation base

3 总结与展望

三维可视化凭借其现实化和直观化的优点, 已经成为测绘、地质、计算机和规划等领域的研究热点, 而且数字摄影测量领域的航片拍摄也朝着高分辨率的方向发展, 采用航空立体像对实现快速三维建模必将成为一种主流趋势。动拆迁基地的改造涉及到社会的稳定与发展, 因此, 本文研究了以航空立体像对为数据源, 采用LPS和ERDAS软件Stereo Analyst模块分别制作DOM和三维模型的方法, 利用现状数据重建关注度较高的动拆迁基地的三维模型, 以三维数字化的形式反映动拆迁基地的原始状态, 辅助决策层制定动拆迁的方针, 为动拆迁基地顺利开展工作提供一种新的数据和方法, 拓宽了三维可视化技术的应用范围。

但是, 本文并未对动拆迁基地内的部分具有历史价值的老建筑进行精细化三维处理, 需要今后不断完善。

The authors have declared that no competing interests exist.

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