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基于城市三维建模与遥感监测技术的数字北京建设与应用

Li GUAN ^a,*, Yanjie DING ^a,*, Xuebing FENG ^a, Hui ZHANG ^a北京测绘学院城市空间信息工程重点实验室，北京100038

摘要：三维模型数据以其直观、客观、准确的特点，已成为数字城市数据库建设中的重要组成部分。为了解决三维模型数据采集的精度和效率要求，北京市在建设数字城市的过程中，采取了多种方法实现三维模型的采集。利用传统的手工三维造型实现三维精细模型的精度，利用三维激光扫描技术实现三维超精细模型的精度，利用倾斜摄影测量半自动建模方法实现快速建模等。本文从技术角度全面总结了北京数字城市建设过程中三维模型的具体技术途径和应用方法。三维模型数据应用于北京数字城市的历史文化保护、教育和经济等领域，为智慧北京的建设奠定了坚实的数据库。

关键词：数字北京 三维模型 传统手工三维建模 三维激光扫描技术 倾斜摄影测量监测技术。

1.引言：所谓数字城市是以计算机技术、多媒体技术和海量存储技术为基础的，以宽带网络为纽带，利用遥感、全球定位系统、地理信息系统，遥测、仿真和虚拟技术，采用多分辨率、多尺度、多时相、多种类的城市三维描述，即利用信息技术对城市过去、现在和未来的全部内容，通过网络进行数字虚拟现实。由国家测绘地理信息管理局提出的北京数字城市空间信息建设地理空间框架的构建思路“一个数据库加一个平台加N个典型的应用程序”，主要以北京市各地区为单位开工建设。“数据库”是指一个统一的空间数据库，包括二维基础数据，二维专题数据、三维数据等数据内容.“平台”是指区域的统一，权威地理信息公共服务平台，该平台可为各区的各委员会提供各种数据服务。“N个典型应用”是指结合各个地区各自的需求特点，建立满足各服务区实际需求的应用系统。其中，三维数据作为数据库的一部分，由于其直观、客观、真实，已成为数字城市建设的重要组成部分。在北京数字城市建设中，三维模型数据的获取主要采用以下技术方法：(1)采用传统的人工三维建模方法获得三维超精细模型。(2)采用三维激光扫描方法实现三维超精细建模。(3)利用斜摄影测量的半自动建模方法实现快速建模。本文将详细阐述三种建模技术的具体实现和应用方法。

2.传统手工三维建模

传统的三维建模方法可分为三种：三维地形模型、三维灰色模型和三维超精细模型。

2.1 三维地形模型的生成

三维地形模型通常是在现有DEM的基础上叠加DOM图像，利用地形生成软件生成这两个数据的组合。

2.2 三维地形模型的生成

三维灰度模型利用三维模型软件，根据建筑物的矢量数据和建筑物的高度信息，自动生成模型。

2.3 三维超精细模型的制作

三维超精细模型基于1：500比例尺地形图和高分辨率DOM图像数据，得到物体的精确平面位置，并通过航空测量行业获得目标的精确高程。采集外部行业的地形纹理图像，利用Photoshop软件进行纹理图像处理，使用3DS MAX软件进行手工建模。最后，将三维地形模型和三维超精细模型集成到场景中。

目前，北京市已采用人工三维建模方法，完成了城市四环路内的三维建模工作。该模型具有测量精度高、场景真实度高、对象单一等优点，缺点是建模周期过长，数字城市、智能城市的时间要求等难以满足。

3.3维激光扫描建模技术

有的对象具有较高的复杂性，同时三维可视化要求较高，传统的手工三维建模方法已不能满足建模的要求，此时需要采用三维激光扫描的方式来完成工作，如历史文化保护建模、老钢厂地面管线建模、复杂立交桥建模等。三维激光扫描建模方法可分为定点三维激光扫描和车载激光扫描。其技术原理是相似的，但由于载体的不同，其工作方式也不同。

3.1.定点三维激光扫描技术。

定点三维激光扫描利用了激光测距的原理。通过记录被测物体表面的大量稠密点的三维坐标、反射率和纹理信息，可以快速重建被测目标的三维模型和线、面、体、各种地图数据。三维激光扫描系统能够获取目标物体的大量数据点，因此与传统的单点测量相比，三维激光扫描技术也被认为是单点测量向表面测量发展过程中的革命性突破。北京市利用该技术，建立了故宫的禁食宫的三维模型，取得了良好的效果。

3.2车载激光扫描技术

车载激光扫描技术是一种在移动平台上操作激光扫描仪的方法。车载激光扫描测量系统包括三个基本组成部分：移动平台、POS系统（位置和姿态测量系统）或导航传感器、测量系统。移动平台一般用于车载移动测量系统，如汽车、船舶等。车载激光扫描测量仪具有测量速度快、精度高、密度高的特点，能快速沿街道行驶，能快速获取街道两旁物体的几何信息和纹理信息。目前已成为城市空间信息快速获取的主要手段之一。通过这种方法，可以快速获取三维点云数据和纹理信息，从而得到立交桥等复杂结构的三维模型。同时，该方法还可以快速获取街道数据，是获取城市空间信息的有效途径。目前，北京已采用车载激光扫描方式，北京拥有六环线范围内的街景数据和四环范围内的所有立交桥三维超精细模型。利用三维激光扫描完成的三维数据模型具有精度高的优点。缺点是成本高，后期的数据处理工作量大。因此，该方法主要用于超精细三维模型和复杂结构三维模型。

4.基于倾斜摄影测量的半自动建模技术

以上两种方法主要是解决超精细模型问题，但很多时候城市空间信息具有快速获取需求。因此，为了快速实现三维模型采集目标，引入了倾斜摄影测量技术。倾斜摄影测量技术原则上是一种机载三维激光扫描技术，由于其在三维数据建模中的重要地位，故将其单独介绍。基于倾斜摄影测量的半自动建模方法，可分为低空倾斜摄影测量和中高海拔倾斜摄影测量。他们的技术原理是一样的，只是利用不同的高度、不同类型的载体，实现不同范围的三维建模。首先，利用机载激光雷达获取建筑物顶部和侧面的激光点云数据，得到建筑物整体的激光点云数据，用于制作建筑框架模型；利用倾斜和垂直摄像机采集图像特征，利用半自动的过程进行纹理匹配，然后对超精细模型进行完成。其中关键技术包括点云分类算法、点云数据处理、点云数据建模方法、POS数据解决方案、倾斜图像空间三角测量、密集匹配、遮挡检测、纹理选择和纹理映射等。 低空倾斜摄影测量建模工作主要是利用旋翼飞行器完成社区层面的三维建模工作，通用航空高度一般在100-200米之间，模型精度高、速度快。中高海拔倾斜摄影测量建模工作主要以大型”飞机为主要载体完成区域水平的三维建模，飞机一般在1500-3000米之间。目前，北京市已在长平区某小区利用6种旋翼飞机低空倾斜测图技术完成了某小区的外显三维建模工作，主要是对违法建筑工程的调查和处罚，该方法适用于一些隐蔽性好、启动困难的违法建筑，该方法直观、有效，同时，利用A3相机实现了大兴区城市的快速三维建模，完成了对城市变化的记录。采用基于倾斜摄影技术的半自动调模方法获取三维模型数据，具有建模速度快、真实感强的优点。缺点是单项难度很大，只能满足浏览需求，数据编辑和维护都很困难。

1. 应用实例

5.1历史和文化保护应用

利用传统的手工三维建模和三维激光扫描技术，生成了东城区历史文化保护区的三维模型，完成了旧城保护的信息化措施。在此基础上，对北京旧城保护进行了深入的研究。构建三维模型数据，进行数据浏览、分析，并与其他二维数据叠加，分析旧城保护策略。

5.2.教育应用
该应用采用传统的手工三维建模方法，基于UNITY3D平台，实现了北京翠威小学室内3D建模工作。基于室内三维模型的复盖管道数据，实现了应急路径规划、设施管理等具体应用。

5.3.经济发展应用
根据中关村科技园的经济发展需要，利用三维模型构建了包括土地规划、企业统计、产业布局、项目管理、投资促进在内的九大业务系统，基于三维模型数据，覆盖经济业务数据，实现企业形象化和定位，并根据中关村会展厅的需求，利用传统的手工建模构建了展示厅的室内造型，非常好地体现了展示效果。此外，三维造型技术在北京市地下管线、住宅建筑等方面的应用也有不同的突破。

6.结论

本文详细论述了三种技术方法：传统的人工三维建模方法、三维激光扫描建模方法、斜角摄影测量的半自动建模方法，并结合北京的实际应用，讨论了三维数据模型应用的各种技术。最后，在大量应用案例的基础上，综合介绍了三维模型数据在北京市历史文化保护、教育、经济发展等方面的应用情况。三维模型数据以其直观、客观、准确的特点，成为数字北京建设的一项重要成果。本文对数字北京的三维模型进行了全面的总结，为智慧北京的未来发展奠定了坚实的基础。

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