三维GIS第2章第2节

主讲：郑坤中国地质大学（武汉）信息工程学院三维三维GISGIS三维城市模型数据的生产工艺三维城市模型数据的生产工艺与质量控制与质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院主要内容：主要内容：三维城市模型的数据内容与细节程度 3DCM数据的获取与建模方法 三维城市模型的数据生产工艺 三维城市模型数据生产的全面质量控制2中国地质大学（武汉）信息工程学院3 三维城市模型不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。中国地质大学（武汉）信息工程学院4现实世界现实世界设计者对现设计者对现实世界的认实世界的认识识三维三维模型模型三维三维场景场景接受者对接受者对现实世界现实世界的认识的认识图1.三维空间信息传输模式中国地质大学（武汉）信息工程学院三维城市模型作为数码城市的骨架，不仅仅包括地形、地物（建筑物、交通网络，植被等）的三维空间几何表达，而且还包括这些地物的纹理特征（对地形来说，其纹理特征就是相对应的DOM）以及其他的相关属性信息。中国地质大学（武汉）信息工程学院63DCM的定义或描述 Ranzinger和Gleixner(1997)提出：3DCM 是计算机对一个城镇内所有固定对象(如建筑物、植被、交通道路、水系)的特别表达，它包含从任何角度观察每一个对象的所有信息，还有方便于辨认的主要特征，它是一种整个城镇的CAD 模型。Schilcher(1998)等学者提出：结合现有2DGIS 中的大量城市信息，通过添加一些补充信息，即可很好地建立城市三维景观模型。Kofler(1998)指出：计算机城市(Cybercity)是一个小型真三维GIS 系统，是城市环境三维数据的存贮、操作以及可视化等多种技术的发展。73DCM的应用3DCM交 通规 划环 保地 质三维城市模型数据生产的内容包括数字地面模型（Digital Elevation Model，简称DEM）、数字正射影像（Digital Orthoimage Map，简称DOM）、城市固定地物的三维模型数据（3D City Model Data，简称CMD）、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。中国地质大学（武汉）信息工程学院三维城市模型三维城市模型DEMDOM地物三维模型数据地物三维模型数据多媒体属性数据多媒体属性数据图2、三维城市模型数据生产的内容中国地质大学（武汉）信息工程学院LOD是三维场景表达的一个重要研究内容，主要研究如何在减少所需要绘制的数据内容和几何细节时，保证观察者无法感知场景细节程度的降低，主要实现方法与相关因素包括剪切、距离、大小、偏心率、物体运动速度等。10中国地质大学（武汉）信息工程学院11在3DCM的数据表达中，纹理可代替部分几何细节的表达，并能有效提高场景的逼真度，这也是3DCM与二维GIS在数据内容和可视化表达上的一个重要区别。中国地质大学（武汉）信息工程学院无纹理材质有纹理材质由于几何细节生产复杂且成本较高，而大量纹理数据的使用又影响系统效率；同时，纹理只能在一定的视距下保证可视效果，而几何数据的表达没有这一问题。因此，是研究其数据内容需要考虑的一个重要问题。12中国地质大学（武汉）信息工程学院13 2D到3D：从隐喻到直观 三维数码城市的信息载体 三维数码城市的基本表现手段将2D GIS中的建筑物轮廓线与建筑物高度（由层数计算或其他方式得到）结合，用简单几何体表达建筑物外形特征。这种方法最简便，同时三维数据量最少，但也与实际相差最大；中国地质大学（武汉）信息工程学院在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。这种方式获取速度也较快，且所获取几何信息相当精确，但工作量相当大，是一种具有发展前景的方法；中国地质大学（武汉）信息工程学院根据搭载平台的不同，激光扫描系统可以分为：1.地面激光扫描系统 2.车载激光扫描系统 3.机载激光扫描系统使用航空影像进行交互式获取。由于航空影像真实地反映了城市建筑的所有顶部信息，同时也反映了建筑物的部分侧面信息以及大部分建筑物附属信息，因而可以运用数字化结合人工交互的方式获取建筑物的外形特征。这种方法能较真实地获取所需要的信息，但由于需要人工干预，工作量也是相当大的；中国地质大学（武汉）信息工程学院17CAD建模方法 产生于20世纪50年代后期，目前广泛使用在工业设计、建筑规划等领域 从二维到三维的空间数据处理都取得了很大的进展 注重设计，面向未来使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取。这种方式获取速度最快，但获取几何信息不够完整，需要人工做大量后续处理，目前还难以达到实用；使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。高分辨率影像卫星的出现，使得人们很容易快速获取一个实时的，不低于1m分辨率的城区影像图，对于高分辨率卫星影像目前可用要素法非常有效地判别建筑物，因而是最有发展潜力的一种方法。中国地质大学（武汉）信息工程学院 三维建模有很多，而且相关的新软件不断出现，目前比较通用的建模软件有国外的AutoCAD、3DMAX、MultiGen等。国内也出现了类似的产品，如灵图公司的VRMap、适普公司的IMAGIS等。中国地质大学（武汉）信息工程学院 AutoCAD致力于模型的精细和机械的完整，它做出的数据是目前的工业标准，有精确的材质定义和大量的属性数据。AutoCAD绘图的目的是通过模拟复杂的数据设计规则来生成工程图，广泛用于工业设计制造行业。中国地质大学（武汉）信息工程学院 3DMAX目前的主要用途在制作动画方面，由于它的交换格式3ds文件能有效的描述大多数三维模型，所以已经很多软件都支持这种格式，有的还把3DMAX模型作为自己的主要数据源。但3DMAX模型没有属性信息，也不支持自动建模。中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院 MultiGen建模主要是为了做视觉仿真，对于建筑物的屋顶等复杂对象，提供了丰富的模型库供选择。它做出的模型可以根据需要进行实时简化，并且可以将任意的多边形数据以一种高效率的结构组织，还能保存视觉仿真的控制元素。它的缺点是建模周期大，成本高。中国地质大学（武汉）信息工程学院 MultiGen-Paradigm公司和ESRI公司联合推出的产品SITEBUILDER 3D，可以根据Arc/Info二维数据以及建筑物的高度属性自动的重建三维模型，不过目前SITEBUILDER 3D自动建立的模型还只是平顶的立方体式的模型，不能有效的表达屋顶的各种复杂形态。中国地质大学（武汉）信息工程学院 适普公司的IMAGIS 可以自动建立比较简单的模型，也有一些编辑功能，可以做出比较复杂的模型，并有100多种建筑物的屋顶模型。中国地质大学（武汉）信息工程学院27DPWDPW摄影测量数据摄影测量数据GIS数据数据3DCAD数据数据表面几何自动重建表面几何自动重建DEM几何模型编辑几何模型编辑模型嵌入模型嵌入纹理图像采集纹理图像采集纹理图像处理纹理图像处理纹理映射纹理映射多媒体属性数据录入多媒体属性数据录入三维城市模型三维城市模型数据库数据库三维几何模三维几何模型数据生产型数据生产表面纹理图像表面纹理图像数据生产数据生产中国地质大学（武汉）信息工程学院特征编码特征编码数据数据3DS/MAX 三三维设计模型维设计模型三维建模与编辑平台三维建模与编辑平台实地拍摄实地拍摄纹理影像纹理影像三维城市景观模型三维城市景观模型数据转换、模型编辑、数据转换、模型编辑、纹理映射、属性定义纹理映射、属性定义多多媒媒体体属属性性数数据据正射影像正射影像数字高程模型数字高程模型贴贴面面纹纹理理影影像像图图象象处处理理三维城市建模流程图 确定数据内容及其细节程度通过集体研究，确定对总的目标真正最重要的有限事物，进而对需要三维建模的地物进行分类并设计每类地物应具有的属性数据项内容和结构；任务分解对工作区进行分区，并对分区进行命名和编号，便于全面准确把握、管理整个工作任务。29中国地质大学（武汉）信息工程学院30细节程度最低的模型是常规的二维数字地图、数字正射影像及数字高程模型数据的符合，可宏观表达一个城市在平面上或在地形表面上的基本景观特征，但没有全面直观的三维表示；现代数字摄影测量技术已能重构具有详细建筑细节和顶部结构的模型，但对于一些丰富的建筑细节仍要在此基础上进行大量人工交互建模才能完成；中国地质大学（武汉）信息工程学院：具有几何形态的不变性和表面材质纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，可重复使用，如电杆、路灯模型等；具有几何形态的随机性和表面材质纹理的相似性，具有重要的大小和位置特征，通过纹理图像表示，如树木等；具有几何形态与表面材质纹理表示的随机性，通过特定的随机函数模拟，如喷泉等。31中国地质大学（武汉）信息工程学院32摄影测量数据自动建立的三维几何模型存在各种观测误差，需要人机交互式编辑和整饰工作。基本过程的步骤：（1）完整性编辑；（2）拓扑结构编辑，包括目视检查、特征码与用户码编辑、冗余面编辑、冗余模型编辑、拆分体相邻边的缝隙编辑、建筑物顶部三角网的编辑；（3）建筑物顶部同高编辑；（4）建筑物边缘垂直与平行编辑；（5）建筑物共面编辑。中国地质大学（武汉）信息工程学院控制点坐标控制点坐标影像定向参数影像定向参数质量检测与元数据质量检测与元数据文件记录文件记录导出导出ASC文本格式数据文本格式数据检查检查 编辑编辑 修改修改人工测量建筑物顶部人工测量建筑物顶部轮廓特征点轮廓特征点/线线人工选择地物类和用户码人工选择地物类和用户码建立立体模型建立立体模型数字影像数字影像图纸图纸数字摄影测量工作站数字摄影测量工作站交互式数字摄影测量采集城市三维数据流程图 34：简单的纹理图像可利用相似的颜色或材质等由计算机进行模拟，或直接从建筑设计大量采用的纹理材质数据库中选用；从高分辨率遥感影像获取；进行实地拍摄。中国地质大学（武汉）信息工程学院纹理数据产品的制作过程需满足以下条件：确保主要的正面纹理完整真实，特别是地物临大街或道路的主要侧面；影像在裁剪过程中应保持清晰，减少产生影像模糊的操作；保持侧面纹理在水平视线上的正射状态，尽量减少影像的扭曲变形；影像大小一般控制在512*512范围内，且像素数在长宽方向上尽量为2的幂；35中国地质大学（武汉）信息工程学院地物侧面纹理图像中其他地物的遮挡需要消除；保持工作区内所有纹理影像色调的均衡；纹理文件名称在整个数据采集区域内必须保持唯一，工作区名称+地物编号+地物侧面编号；确保纹理数据与几何面对应关系的正确性；如果不同表面的纹理影像接近，则尽量使用相同的纹理数据。36中国地质大学（武汉）信息工程学院37逼真三维几何模型不是真正意义上的地物实体对象需要进一步根据实地调绘资料确定各个几何对象之间的关系，将属于一个特定实体对象的所有几何对象组合成一个特征地物。一般地物直接根据实际情况进行组合即可，对一些不需要严格区分的地物，可将多个明显不同的几何对象组合成一个特征地物，其整体属性以适当信息说明。中国地质大学（武汉）信息工程学院数据从采集、加工、存档到使用，每一步都可能引入误差。如果了解不同处理阶段数据误差的来源和特点，在每步数据处理过程中都能做质量检查和控制，就可以大大减少误差。误差分为系统误差和随机误差（偶然误差）两种。系统误差一经发现易于纠正，而随机误差则一般只能逐一纠正或采取不同处理手段来避免。38中国地质大学（武汉）信息工程学院数据处理数据处理误差来源误差来源数据源数据源航片、卫片资料航片、卫片资料几何变形、灰度变形几何变形、灰度变形现有地图资料现有地图资料地图数据精度、地图变形、地图印刷误地图数据精度、地图变形、地图印刷误差差纹理数据纹理数据纹理映射误差纹理映射误差属性数据属性数据属性逻辑误差属性逻辑误差三维城市模型数据生三维城市模型数据生产过程产过程数字化过程数字化过程数字化仪器、数字化操作人员、数字化数字化仪器、数字化操作人员、数字化操作方式、坐标转换操作方式、坐标转换数据采集数据采集数据采集仪器、数据采集人员、定向精数据采集仪器、数据采集人员、定向精度、数据采集方式度、数据采集方式数据建模数据建模数据格式转换数据格式转换数据编辑、整饰数据编辑、整饰数据编辑原则、数据编辑方式、插值算数据编辑原则、数据编辑方式、插值算法法表1.三维城市模型数据误差来源中国地质大学（武汉）信息工程学院数据质量分析和数据质量控制是三维城市模型数据质量问题的重要内容。目的在于分析和了解三维城市模型数据和产品中误差的性质、来源、类型和大小以及产生的原因，对系统数据和最终结果中的不确定因素进行模拟和估计，从而了解三维城市模型数据的可靠性和可信度。40中国地质大学（武汉）信息工程学院三维城市模型数据质量控制的含义主要指在数据从采集到最后生成的一系列过程中，对可能引起误差的步骤和过程加以控制，对这些步骤和过程的一些指标和参数予以规定，对检查出的误差和错误进行修正，以达到提高系统数据质量和应用水平的目的。中国地质大学（武汉）信息工程学院是一个相对的概念，甚至衡量数据质量的标准也会随具体应用的特点和要求而变化。其次，数据质量本身具有不确定性，除了可度量的空间和属性误差外，许多质量因素是很不明显或是很难确定的。因此，数据质量问题中，有可以减小甚至消除的误差，也有很难检测和控制的因素。42中国地质大学（武汉）信息工程学院数据源选择中的数据质量控制在于选择质量满足系统和应用要求的数据源，这是决定三维城市模型数据质量的关键因素。源数据的获取完全参照已有标准和规范执行质量控制，比如根据三维城市模型数据的服务目的确定好其空间尺度以后，就可以选择相应比例尺的航空摄影规范和GIS数字线划图标准作为依据；43中国地质大学（武汉）信息工程学院由于数据处理和使用过程的每一个步骤都会保留甚至加大原有误差，同时可能引入新的数据误差，因此，数据源的误差范围至少不能大于系统对数据误差的要求范围；对于遥感数据和传统的2维线划数据如GIS中的DLG，由于各种原因不一定都能够得到实时数据，但也应该在保证精度要求的前提下尽可能地选择最新的数据，以保证数据的现势性，降低数据的时间误差。中国地质大学（武汉）信息工程学院数据采集中的质量控制的目的主要是削弱地理数据的数字化不确定性（包括人和设备），如提高影像扫描的分辨率；减少转换不确定性（如优化和改进数据转换算法等）；减少计算机字长引起的不确定性（如使用计算机字长较大的高档计算机）；减少存储不确定性（如使用较高质量的存储介质等）；优化不确定性传播函数的计算方法。中国地质大学（武汉）信息工程学院三维特征数据的采集同样遵从常规数据获取的有关标准，比如控制点数据精度、加密数据精度、模型定向精度、平面坐标和高程的精度等与常规要求一致。中国地质大学（武汉）信息工程学院建模过程中的质量控制的目的主要是削弱建模过程中各种计算方法对数据精度的影响，如数据坐标变换、比例变换、投影变换等；减少数字高程模型内插误差（如改进内插算法等）；对阶段性的数据需要及时进行各项检查，保证几何信息的完整、拓扑关系的一致、属性信息的一一对应（如通过人工交互检查）。中国地质大学（武汉）信息工程学院数据完成后必须对所有的数据整体组装后进行集成检查，包括数据精度是否符合要求，几何信息是否完整（如是否缺面、少点）、属性信息是否一致（如纹理显示是否正确），以及拓扑关系的一致（如屋角的垂直关系、屋顶边界点的共面等）。中国地质大学（武汉）信息工程学院 基于正射影像的套合检查基于正射影像的套合检查基于正射影像套合检查的目的主要是找出建模过程中是否有遗漏的对象、对象位置和屋顶纹理的正确性、对象内部关系的合法性如空间点的共面特性、空间直线的平行特性和相互垂直特性等。这种检查可以通过逐一调出每个目标的几何模型数据并套合正射影像数据或DLG数据以及实地调绘资料进行多角度对比检查。中国地质大学（武汉）信息工程学院中国地质大学（武汉）信息工程学院垂直关系的检查目的主要是为了排除三维模型之间或模型内部的几何不合法性，这些不合法性可能体现在面与面的关系，点与面的关系，线与面的关系，体与体的关系上，如体与体之间不能重叠，面与面的角度有一定限制，线与面不应相交或交点不应在面的内部等。自动检查的结果不一定都一定是错误的，只能作为可疑的对象列出，并由用户依据资料核实其正误。基于几何约束关系的自动质量检查基于几何约束关系的自动质量检查中国地质大学（武汉）信息工程学院在建立三维模型的过程中，由于数据的建模过程一般为程序根据一定的算法自动完成，所以如果原始数据不合理，则可能“造”出各种不符合逻辑的模型。例如生成的建筑物的宽度过小、高度过高或过矮等。对于这种建筑物，当然不能绝对的认为其一定错误，但很有必要把它们一一列出，以便操作员根据资料一一核实。基于属性查询的逻辑检查基于属性查询的逻辑检查中国地质大学（武汉）信息工程学院这种检查可以通过对所有建筑物的属性查询来实现。由用户指定一定的查询条件，系统遍历所有的建筑物模型，选择出符合查询条件的所有建筑物，并一一显示在屏幕中间让操作员确认是否真的不符合实际。如对有楼层属性的建筑，可以查询所有楼层属性和建筑物几何高度不符合给定比例的建筑是否存在。对于不符合实际情况的所有模型，需要根据原始资料一一更正，确实不能通过修改得到准确值的，应该将此模型从数据库中删除，并根据原始资料重新建立。中国地质大学（武汉）信息工程学院为了更直接和全面地检查数据，可以建立三维可视化的环境，直观地对所有数据进行检查。这个过程需要人工交互，由操作人员根据数据显示的效果来判断数据的各种拓扑关系是否合理，纹理是否被正确无误地贴在对应的位置。要实现这个过程，需要系统具有强大方便的可视化功能。最基本的功能包括漫游、旋转、缩放、鸟瞰、沿路径飞行等。有了这些基本的手段，操作员可以方便的进行各项检查。基于三维可视化的人工检查基于三维可视化的人工检查中国地质大学（武汉）信息工程学院成图比例尺为：1：2000，DEM以5m的格网间隔来生产。传统2D的应用领域，5m格网间隔的DEM已能满足应用需求。DEMDEM质量控制质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院但是在数码城市的建设和应用中，几何模型的建立过程中DEM将作为建筑物几何模型的地面起算依据，同时也要根据DEM来制作近地面地物几何模型（由多个不相交且覆盖整个DEM的面和体组成），故DEM所能表达的细节程度便直接影响着建筑物三维几何模型和近地面地物几何模型数据质量。中国地质大学（武汉）信息工程学院57中国地质大学（武汉）信息工程学院在地面高程发生突变的时候，比如坡度较大的陡砍，坡度的上边缘与下边缘之间的距离小于DEM格网间隔的时候，坡度总是与实际地形不一致。在地面高程发生突变的地方，总有人工地物的一角或者一边切入地下，被DEM所吞噬，这个时候往往要修改人工地物的下脚点，如，山上的建筑物，山上的道路。为了逼真的重现地表，制作近地面地物几何模型时，根据DEM生成的面模型也往往需要修改角点的坐标（一般是高程坐标），给近地面地物的建模增加很大的工作量。中国地质大学（武汉）信息工程学院DOM数据主要是叠加在DEM数据上，用来增强三维地形的真实性。因此，在三维城市模型数据中DOM数据采用原有的2D质量控制方法和相关内容。DOM分辨率要满足该成图比例相应规范要求，数学基础正确，按一定的分幅范围进行裁剪，相邻DOM图幅是要保证一定像素的重叠，相邻DOM图幅的色调保持一致，附件质量：主要指所上交的文档资料填写内容完整、格式正确、元数据文件内容完整等要符合要求。DOM质量控制质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院地物三维模型数据质量控制主要是基于地物（主要是建筑物）三维模型的拓扑关系来实现的；几何拓扑关系主要是点、线、面、体之间或者内部之间的关系，如：线与线平行或者垂直、点是否在某个面内、电力线不与建筑物相交、体与体之间不能重叠交叉等；地物三维模型数据质量控制地物三维模型数据质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院基于点、线、面、体之间几何约束关系的质量检查，指根据点、线、面、体之间几何约束关系自动检查三维城市模型建筑物数据是否满足这些约束条件，对不满足约束条件的应根据资料核实、更正。中国地质大学（武汉）信息工程学院三维城市模型数据中的纹理数据及属性数据是相当庞大，对数据一一进行质量检查相当耗时，在三维建模阶段的纹理数据及属性数据的质量控制一般采用质量抽检检查法。纹理及属性数据的质量控制纹理及属性数据的质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院质量抽样检查法，是指从被检验对象的总体中随机抽取一部分样本进行检验，根据检验结果来评断总体的质量水平并决定全部产品是否合格的方法。选择抽样方案的原则：对待检数据产品质量要有正确的估计，能真正起到质量管理的作用；抽样检验的方法简单易行，并符合经济原则。中国地质大学（武汉）信息工程学院抽样检验的方案按抽样次数可分为一次抽检法、二次抽检法、多次抽检法和序惯抽检法。其中二次抽样检查方法，先抽第一个样本进行检验，若能据此作出该批产品合格与否的判断、检验中止。如果不能作出判断，就再抽取第二个样本，然后再次检验后作出是否合格的判断。65中国地质大学（武汉）信息工程学院纹理数据是否模糊；三维场景中的植被种类是否于实地一致；植被纹理是否扭曲、变形；植被纹理与近地面地物几何模型相对位置关系是否正确；建筑物相邻侧面的纹理特征是否衔接；纹理是否与建筑物侧面正确对应；建筑物侧面纹理是否与建筑物层数一致；建筑物纹理是否与周围环境相协调。纹理数据质量控制纹理数据质量控制中国地质大学（武汉）信息工程学院 属性数据质量检查属性数据质量检查描述空间数据的属性项定义必须正确，属性表结构中各数据项的属性取值与其单位不能异常，即检查属性的完整性、属性数据的现势性、属性数据说明的合理性等；属性数据逻辑一致性，主要是指属性数据与空间数据之间、属性数据之间、属性数据与侧面纹理之间的逻辑关系要保持一致。中国地质大学（武汉）信息工程学院