基于数字摄影测量技术的城市三维仿真系统的建设与应用
——以长沙大河西先导区三维规划审批系统为例

胡志超,张鸿儒

(1.长沙市勘测设计研究院,湖南长沙 410007; 2.湖南省国土资源规划院,湖南长沙 410007)

基于数字摄影测量技术的城市三维仿真系统的建设与应用
——以长沙大河西先导区三维规划审批系统为例

胡志超1*,张鸿儒2

(1.长沙市勘测设计研究院,湖南长沙 410007; 2.湖南省国土资源规划院,湖南长沙 410007)

首先阐述了城市三维仿真系统在规划管理中的作用,然后结合长沙大河西先导区三维规划审批系统的建设实例,从三维基础数据建库、三维数据库组织管理、系统功能以及运行维护机制等方面对该系统进行阐述,其中着重介绍了采用数字摄影测量技术,利用倾斜摄影成果快速构建和更新城市三维模型的方法。最后简单地介绍利用该系统所做的成功案例。

数字摄影测量;倾斜摄影;三维规划审批系统

1 引 言

“三维城市仿真”是以计算机技术、多媒体技术和大容量存储技术为基础,运用数字摄影测量等测绘技术、虚拟现实技术等对城市进行多尺度、多时空的三维模拟,为使用者提供一个类似真实生活环境的虚拟城市。因此,虚拟仿真技术在城市规划工作尤其是规划管理和决策阶段的应用是时代和行业发展的必然趋势。通过逼真的三维仿真环境,三维规划审批系统可以对规划项目进行真实的“再现”,有助于政府部门提高项目评估和规划决策质量,合理利用土地资源,以确定更为科学的开发策略和规划方案,使规划管理工作更加科学,城市发展更加有序。

2 全数字摄影测量系统VirtuoZo

建立城市三维规划审批系统,最基本的工作是三维基础数据建库,所以要选择一个技术先进、功能完善的空间数据生产平台。VirtuoZo是国内应用比较广泛的全数字摄影测量系统,该系统可以快速地生成DEM、DOM产品,也能够交互式地采集地物的轮廓线,进而通过程序自动建立三维模型并为各个表面贴上对应的纹理。在长沙大河西先导区三维规划审批系统的建设和运行维护中,运用全数字摄影测量技术,实现了三维模型数据更新周期短、空间地理位置精度高、制作成本低等高端目标。

3 长沙大河西先导区三维规划审批系统的建设

长沙大河西先导区是全国“两型社会”综合配套改革试点先导突破区、湖南省经济重心跨湘江发展战略支点、长株潭城市群战略整合核心承载区。因此,大河西先导区需要一个高标准的三维规划审批系统来满足规划管理的需求,该系统必须满足三维模型数据更新快,现实性高、数据精度高、系统功能强大等要求。系统建设主要包括三维基础地理数据库建库、三维数据库制作和管理以及三维规划审批系统建设这三大部分。

3.1 三维基础地理数据库建库

长沙大河西先导区三维规划审批系统建设充分利用了现有的二维地理数据库和4D产品成果。对以上数据进行相应的处理,满足三维建库标准后,导入三维数据管理平台进行统一的数据管理和场景整合。

3.1.1 数字地形图建库

提取ArcGIS库中各种比例尺的地形图数据中建筑物的要素和注记信息,根据楼层数或者楼层高度属性自动生成三维模型数据(粗模数据)。这种模型数据具有更新速度快、现势性高、制作成本低,建筑物空间位置准确等特点,缺点是不能反映模型外部纹理信息。

3.1.2 正射影像图建库

由于正射纠正不能完全消除某些高层建筑的投影变形,造成将建筑物三维模型导入DEM与DOM构建的地形后,其三维模型的基底不能完全覆盖该建筑物在原始DOM的影像(屋顶或侧面影像),所以要先根据实地周边情况对DOM上超过7层以上的房屋影像进行修正,消除投影变形。

3.1.3 数字高程模型建库

长沙大河西先导区三维规划审批系统中采用现有的5 m格网精度的DEM数据,5 m精度格网DEM在表现山体、密集建筑区、次要道路、景观绿地等地形上,基本可以满足视觉要求,但对于狭长地形(例如主干道、河流堤坝、铁路等),显示效果则不够理想,往往出现波浪起伏状。解决方法是将狭长地形DEM数据导入VirtuoZo的DEM—Maker中进行置平、内插、平滑等编辑后,再导出为1 m精度格网DEM数据。

3.1.4 管线数据建库

地下管线的建库是将具有三维坐标的源数据直接导入,根据管线的类型、管径的大小、埋深等信息自动生成与现实相吻合的三维管线数据库,并且生成的三维管线具有和源数据相同的属性信息。

3.1.5 三维模型数据建库

长沙大河西先导区采用数字摄影测量技术进行三维建模,采用这种方法建模速度快,自动化程度和模型精度高,三维建模的规模越大,越能显示其优越性。通过摄影测量,城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像采用数字摄影测量方法,精确测得建筑物的空间三维坐标,由软件(D-Build)自动生成建筑物的结构模型并贴上相对应的航片上的纹理,最后在3ds Max中对三维模型进行结构优化和纹理补充。技术流程如图1所示。

图1 基于数字摄影测量技术三维模型制作流程图

城市三维模型数据制作的过程主要包括:三维模型结构的获取和外部纹理自动贴图与加工处理两大部分。

(1)三维模型结构的获取

首先人工使用VirtuoZo中IGS数字化测图工具在立体模型上测得建筑物屋顶的关键角点,并由采集的点集构成面文件(文件格式为*.xyz)。然后通过DBuild程序结合DEM数据生成建筑物结构模型。

三维模型结构数据的采集要遵循以下原则:

①当影像因倒向不同只能看到一面而不能完全分辨房屋整体时,则应选择多个像对来分辨其具体位置及结构类型;

②当房屋顶部是由多个不同高程的面(房屋、建筑)组成时,应将每个面按其实际位置和高程逐面区分;

③在构面时不应出现重复的数据,也就是房顶上小房子矢量出来的面与大房子的面重叠在一起的错误;

④斜面屋顶房屋采集方法应根据斜面的高低进行采集,一般人字形房屋没有拐角,两边大小应相同。复杂斜面,不规则斜面,则根据房屋结构情况分化为多个面;

最后对生成的结构模型数据进行检核,检核的工作主要包括:a.层次结构检查。通过与航测像对进行比对,检查三维模型的层次结构是否都正确;b.模型边缘垂直与平行检查;c.未咬合错误检查;d.闪烁面错误检查;e.零高程错误检查,该情况多出现于地形有变化的区域。

(2)三维模型纹理自动贴图与加工处理

城市三维模型数据制作的绝大部分工作量集中在为三维模型贴纹理,因此通过计算机程序,根据空间坐标、相机参数、像片的内外方位元素等参数自动地在航摄相片上找到对应的纹理,并进行裁剪处理,最后将该纹理贴到对应的模型面上的方法可以提高模型的制作效率。

随着航空摄影的技术的发展(倾斜摄影技术的应用)和航空摄影成像的分辨率、精度以及航片重叠度的提高。采用全数字摄影测量技术制作的三维模型的精度以及外部纹理的精细度也得到了大大提高。

(3)具体实施

长沙大河西先导区三维模型数据制作采用倾斜摄影技术,倾斜摄影系统由一个垂直镜头和两个倾斜镜头组成,在航空摄影过程中,相机每曝光一次,旋转90°,以此方式,就获取垂直影像和四个方向的倾斜影像。相比传统的摄影方式,倾斜摄影方式更容易获得建筑物的高清晰度侧面纹理。三维模型数据制作的主要实现方法如下:

①通过适普公司的D-build软件,根据手工采集的三维模型外部轮廓面文件、相机参数、像片内外定向文件、垂直镜头影像数据以及DEM数据自动生成带外部纹理的三维模型数据。

②程序自动生成的三维模型数据的顶部纹理以及楼间距较大的高层建筑侧面纹理的精细度和准确率都很高,完全可以满足规划管理要求。但对于建筑物密集区域或者低层建筑物,由程序自动提取的模型侧面纹理有些不够完整、不够清晰或者根本提取不到。因此,需要手工在倾斜像片中找到相应纹理进行贴图。相比实地拍照获取的像片,航摄像片中提取的建筑物侧面纹理受树木、路灯、行人等遮挡影响较小。图2所示为自动贴图的三维模型。

图2 自动贴图三维模型

③对于城市的地标建筑和其他结构较复杂的建筑,则需采用实地数码相机拍照结合内业3ds Max精细建模的传统方法进行三维精细模型的制作,其制作流程总体可以分为两部分:首先得到建筑物的自动贴图三维模型,然后在此模型基础上结合外业采集的建筑物数码相片在3ds Max软件中对程序自动贴图生成的三维模型进行精细加工。图3表示三维精细模型的制作流程,图中第一步是利用IGS工具在立体像对上采集建筑物的结构线;第二步是利用D-build软件自动生成带纹理贴图的三维中模;第三步是结合外业拍照获得的数码照片在3ds Max软件中对三维中模数据再进行精细加工。

图3 三维精细模型制作过程

3.2 三维数据库制作和管理

三维数据具有数据量大、数据种类多等特点,因此选择一个高效、可靠的三维数据库制作管理平台直接关系到三维规划审批系统在今后规划管理工作中的推广和应用。

长沙大河西先导区三维规划审批系统建设采用北京海澄华图科技有限公司的三维空间信息服务平台NVP对三维数据库进行管理,该平台在海量数据支持、三维效果、数据接口种类等方面具有较大的优势。该平台包含数据处理与数据整合两大工具。

三维数据处理工具:主要包含海量地形/影像数据处理工具、海量三维模型数据处理工具、海量矢量数据处理工具。

三维数据整合工具:它通过三维坐标信息将DOM和DEM数据融合起来形成三维地貌模型,并设置三维模型、地形图、管线、规划方案、VR要素等数据显示范围、优先级、所处数据层等参数,最后将所有三维数据类型整合起来构建城市三维场景。

3.3 三维规划审批系统建设

在完成了大河西先导区三维模型数据建库与整合后,结合规划管理日常工作需求,开发了长沙大河西先导区三维规划审批系统。系统的界面如图4所示。

图4 长沙大河西先导区三维规划审批系统界面

(1)系统功能介绍

①具有场景漫游、定制飞行、车载浏览、步行浏览等多种模式的场景观赏功能。提供多个视角观察新建建筑与周边环境的整体空间关系;

②具有分层管理和三维量算能力;

③支持多种格式(3ds、CAD、Shape)文件的导入、导出,并支持按任意范围裁切并导出三维场景数据;

④具有对规划方案动态修改功能,能够实时反映评审修改意见;

⑤分屏方案对比功能;

⑥控高分析功能,能直观展现方案范围内的建筑控制高度;

⑦日照分析功能,系统将对选定的建筑物在各个时间段的日照对建筑物的阴影分析效果进行展示;

⑧通视分析功能,系统将自动计算出任意选定两点间的通视关系;

⑨三维管网查询分析功能包括管线载入、管线查询、管点查询、地表透明、管线抬升等功能;

⑩功能打包,可根据用户的级别定制不同的功能。

(2)系统技术特点

①采用海量数据存储、可视化管理技术,对多元多尺度数据无缝集成。系统运行速度快,根据近处优先的原则,由近及远的动态加载三维模型;

②系统中使用的各类数据符合长沙市城市坐标系和高程系,数据具备匹配现状的坐标、标高和属性,建筑物具备真实的形态;

③三维空间数据兼容性强。

(3)系统的运行维护机制

当前建立了“勘测院—设计单位—审批部门”的三层应用机制。其中,勘测院提供三维现状地形、整合三维方案模型;设计单位提供三维方案模型;审批部门对设计方案进行审批。运维流程如图5所示。

图5 系统运维流程

4 应用实例

长沙大河西先导区三维规划审批系统自投入运行以来,运行稳定、安全可靠、使用方便,已先后应用于多个建筑设计方案评审、城市设计以及重点工程方案评价中。如图6所示,在贺龙体育馆城市设计中,运用三维规划审批系统,按照贺龙体育中心周边建筑高度控制,需要满足体育中心主席台安全防射要求,对体育中心周边建筑高度范围进行三维模拟,对现有建筑高度进行影响评估,同时为新建建筑提供高度控制依据。从分析图中可以清晰看到高度超过蓝色扇面的建筑物不满足高度控制原则。如图7所示,在第四医院外科楼设计方案评审中,运用该系统可以模拟出该新建建筑方案对周边环境的影响(例如,判断该建筑物是否会影响在新民路等重要交通节点对岳麓山山体形态的连续观测、判断它建成后对长沙“山水洲城”这个特色格局是否造成破坏以及它对整体色调的影响等),为审批者做出科学决策提供依据。

图6 贺龙体育馆城市设计

图7 第四医院外科楼设计方案

5 结语及展望

本文结合长沙大河西先导区三维规划审批系统建设实例,提出了一种基于数字摄影测量技术的城市三维仿真系统建设流程。系统建设充分利用现有二维基础地理数据,并通过程序在三维模型建模和纹理贴图上实现了较大程度的自动化,极大地简化了劳动量,特别是倾斜摄影航片的应用,使由程序自动生成的三维模型精度和美观性得到很大的提升,完全满足规划管理的需求。同时,系统采用动态实时加载三维模型的原则,使系统运行脱离了计算机硬件条件的限制,在普通的办公电脑上也能够很流畅地运行。其次,系统具有的规划审批功能使规划管理工作更科学、更直观、更高效。

在接下来的工作中,要进一步完善三维模型自动提取软件D-build的功能,使其充分利用倾斜摄影像片成果,能够自动从垂直像片上提取建筑物顶部纹理,而在倾斜像片中提取相应侧面纹理,从而进一步提高三维模型的生产效率。

参考文献

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[6] 北京海澄华图科技有限公司的三维空间信息服务平台NVP Enterprise用户手册.2008

The Construction and Application of City 3D Simulation System Based on Digital Photogrammetry

Hu ZhiChao1,Zhang HongRu2
(1.Changsha Design and Research Institute of Exploration and Surveying,Changsha 410007,China; 2.HuNan Land Resources Planning Institute,Changsha 410007,China)

This article introduces the function of 3d planning system in urban management and planning at first,and then combined with the example of construction of big Hexi District's 3d planning system,This article introduces the construction of 3d geodata database,the organization and management of 3d geodata database,system function,and the mechanism of running attention.This Paper introduces the technology of oblique aerial photography,the method of Building and updating Urban 3d models rapidly in detail.The paper introduces the successful examples by using this system at last.

Digital Photogrammetry;oblique aerial photography;3d planning system

1672-8262(2011)04-35-05

P208.2

A

2010—10—22

胡志超(1985—),男,助理工程师,主要从事三维GIS研究与应用。