數(shù)字城市是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用遙感、GPS、GIS、遙測、仿真—虛擬等技術(shù)，對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述，即利用信息技術(shù)手段把城市的過去、現(xiàn)狀和未來的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)字化虛擬實(shí)現(xiàn)。
空間信息領(lǐng)域建設(shè)的數(shù)字城市地理空間框架遵循了國家測繪地理信息局提出的“一庫＋一平臺(tái)＋Ｎ個(gè)典型應(yīng)用”的建設(shè)思路，主要以城市各區(qū)縣為單位展開建設(shè)。一庫是指統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫，其中包括二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、二維專題數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)內(nèi)容；一平臺(tái)指全區(qū)統(tǒng)一的、權(quán)威的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)，通過平臺(tái)可以為全區(qū)各委辦局提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)；Ｎ個(gè)典型應(yīng)用指結(jié)合區(qū)縣各自的需求特點(diǎn)，建立Ｎ個(gè)服務(wù)區(qū)縣實(shí)際需要的應(yīng)用系統(tǒng)。
其中，三維數(shù)據(jù)作為一庫中的組成部分，由于其直觀性、客觀性和真實(shí)性，成為數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分。在數(shù)字城市建設(shè)中，三維模型數(shù)據(jù)的獲取主要采取以下技術(shù)方式:采用傳統(tǒng)手工三維建模得到三維精細(xì)模型，以三維激光掃描方式實(shí)現(xiàn)三維超精細(xì)建模，以傾斜攝影測量的半自動(dòng)建模方式實(shí)現(xiàn)快速建模。本文將逐一闡述三類建模技術(shù)具體的實(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用方式。
傳統(tǒng)手工三維建模技術(shù)
傳統(tǒng)的三維手工建模方式可分為三維地形模型、三維灰體模型、三維精細(xì)模型等３類。
1、三維地形模型的制作
三維地形模型是在已有DEM基礎(chǔ)上疊加DOM影像，通過地形生成軟件將兩者組合，生成三維地形模型。
2、三維灰體模型的制作
三維灰體模型是利用地形圖建筑物矢量數(shù)據(jù)和建筑物高度信息及三維模型軟件自動(dòng)生成。
3、三維精細(xì)模型的制作
三維精細(xì)模型是基于1:500比例尺地形圖和高分辨率DOM影像數(shù)據(jù)獲取地物的精準(zhǔn)平面位置，通過航測內(nèi)業(yè)獲取地物主體頂部精準(zhǔn)高程。采用外業(yè)采集地物紋理照片，使用photoshop軟件進(jìn)行紋理照片的處理,使用3dsMax軟件進(jìn)行手工模型制作。最后，將三維地形模型和三維精細(xì)模型進(jìn)行場景整合。
目前，已經(jīng)應(yīng)用手工三維建模的方式完成了城市的三維建模工作，這種模型的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、場景真實(shí)度高、對(duì)象已單體化；缺點(diǎn)是建模周期長，難以滿足數(shù)字城市、智慧城市等應(yīng)用對(duì)三維數(shù)據(jù)的時(shí)間需求。
三維激光掃描建模技術(shù)
有些地物自身復(fù)雜度高且三維可視化要求高，傳統(tǒng)手工三維建模方式就不能滿足其建模要求，此時(shí)需要利用三維激光掃描的方式完成工作，如歷史文化保護(hù)建模、舊有鋼廠地上管線建模、復(fù)雜立交橋建模工作等。三維激光掃描建模方式可分為定點(diǎn)三維激光掃描和車載激光掃描，其技術(shù)原理相似，只是載體方式不同而產(chǎn)生的工作方式不同。
1、定點(diǎn)三維激光掃描技術(shù)
定點(diǎn)三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了三維模型的建設(shè)，效果較好。
2、車載激光掃描技術(shù)
車載激光掃描技術(shù)是通過將激光掃描儀置于移動(dòng)平臺(tái)之上進(jìn)行作業(yè)的方式。車載激光掃描測量系統(tǒng)包括:移動(dòng)平臺(tái)、POS系統(tǒng)(位置姿態(tài)測量系統(tǒng))或?qū)Ш絺鞲衅?、測量系統(tǒng)３個(gè)基本部分。移動(dòng)平臺(tái)一般是汽車、船舶等用于承載移動(dòng)測量系統(tǒng)的裝置。車載激光掃描儀器可以在短距離內(nèi)作業(yè)，采集速度快、精度高、密度大，由于其可沿著街道快速行駛，從而可以快速獲取街道兩側(cè)地物的幾何信息和紋理信息，目前已經(jīng)成為城市空間信息快速獲取的主要手段之一。
通過上述方式，可以快速獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理信息，從而快速得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維模型，如立交橋。同時(shí)，還可以快速獲取街景數(shù)據(jù)，是一種有效獲得城市空間信息的方式。目前，已經(jīng)應(yīng)用車載激光掃描方式獲得了城市主要街道街景數(shù)據(jù)和四環(huán)內(nèi)所有立交橋的三維精細(xì)模型。
通過三維激光掃描方式完成的三維數(shù)據(jù)模型工作，其優(yōu)點(diǎn)是三維模型精度高，缺點(diǎn)是造價(jià)高，掃描后的數(shù)據(jù)后期處理工作量大。因此，此種方式主要用于超精細(xì)化的三維建模和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維建模。
基于傾斜攝影測量的半自動(dòng)建模技術(shù)
基于傳統(tǒng)手工三維建模和三維激光掃描技術(shù)主要解決模型的精細(xì)和超精細(xì)的問題，但城市空間信息很多時(shí)候有快速獲取的要求，因此，為了達(dá)到三維模型快速獲取的目標(biāo)，引入了傾斜攝影測量技術(shù)。原則上，傾斜攝影測量技術(shù)屬于機(jī)載三維激光掃描的一種。
基于傾斜攝影測量技術(shù)的半自動(dòng)建模方式可以分為低空傾斜攝影測量建模和中高空傾斜攝影測量建模。其技術(shù)原理相同，只是采用不同航高、不同機(jī)型載體，實(shí)現(xiàn)不同范圍的三維建模。
首先，用機(jī)載LiDAR獲取建筑頂部和側(cè)部的激光點(diǎn)云，得到描述建筑物整體框架的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于制作建筑體框模型；使用傾斜和垂直相機(jī)分別采集地物影像，通過程序半自動(dòng)匹配實(shí)現(xiàn)紋理貼賦，完成建筑精細(xì)模型制作。其關(guān)鍵技術(shù)包括點(diǎn)云的分類算法、點(diǎn)云數(shù)據(jù)與處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模方法、POS數(shù)據(jù)解算、傾斜影像空間三角測量、密集匹配、遮擋檢測、紋理選取和紋理映射等。
低空的傾斜攝影測量建模工作主要采用旋翼機(jī)完成社區(qū)級(jí)別的三維建模工作，一般航高在100~200m之間，模型精細(xì)度高、建模速度快。中高空傾斜攝影測量建模工作主要采用大飛機(jī)作為主要載體完成區(qū)縣級(jí)別范圍的三維建模工作，航高一般在1500~3000m之間。目前，采用六旋翼低空傾斜攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了某社區(qū)的快速三維建模工作，主要輔助于查處違法建設(shè)工作，對(duì)于一些隱蔽性好、難以入門的違法建設(shè)采用此方法，直觀而高效。同時(shí)，采用Ａ3相機(jī)完成了某區(qū)的快速三維建模，用于記錄城市變遷。基于傾斜攝影測量技術(shù)的半自動(dòng)建模方式獲取三維模型數(shù)據(jù)方式的優(yōu)點(diǎn)是建模速度快、現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)象單體化困難，只滿足瀏覽需求，數(shù)據(jù)編輯與疊加難度高。
應(yīng)用案例
1、應(yīng)用于歷史文化保護(hù)
應(yīng)用傳統(tǒng)手工三維建模和三維激光掃描的方式對(duì)城市區(qū)歷史文化保護(hù)區(qū)域進(jìn)行三維建模，完成舊城保護(hù)的信息化措施。建設(shè)的三維模型數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)瀏覽、分析，并與其他二維數(shù)據(jù)疊加分析舊城保護(hù)策略。
2、應(yīng)用于教育
應(yīng)用傳統(tǒng)手工三維建模的方式，基于Unity3D平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市小學(xué)的室內(nèi)三維建模工作?；诖耸覂?nèi)三維模型疊加管線等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急路線規(guī)劃、設(shè)施管理等具體應(yīng)用。
3、應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展
結(jié)合科技園區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，應(yīng)用全三維模式建設(shè)了規(guī)劃土地、企業(yè)統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)業(yè)布局、項(xiàng)目管理、招商宣傳等９個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，疊加經(jīng)濟(jì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和位置雙直觀的方式，而且針對(duì)中關(guān)村展示廳的需求，利用傳統(tǒng)手工建模實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)展廳的建模工作，展示和分析的效果很好。
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