数字城市三维重建技术
文章编号:1004-6011(2009)02-0035-04
数字城市三维重建技术
王文宇, 田慧云
(北京建筑工程学院测绘与城市空间信息学院,北京 100044)
摘 要:数字城市三维建模与可视化是数字城市的核心技术之一.城市三维景观模型是城市三维
信息的表现模型,也是城市三维技术发展的主要趋势.在阐述了数字城市三维重建技术基础上,介绍了瑞士CyberCity 软件在制作城市三维景观方面的应用.通过实例分析,结果表明该软件在城市三维建模技术方面有着广泛的应用前景.
关键词:CyberCity ;城市三维模型;三维模型编辑;纹理贴图中图分类号:P208文献标志码:A
3D R econstruction of U rban B ased on Cybercity
Wang Wenyu ,Tian Huiyun
(School of G eomatics and Urban Information ,BUCEA Beijing 100044)
Abstract :3D modeling and visualization of city is core technique of cybercity.3D city landscape modle is the representation of 3D city information ,and it is the trend in the 3D cit y modeling.This paper introduces the reconstruction technology of 3D Models of cybercity and the workflow of reality 3D landscape modeling based on Switzerland CyberCity software.Through analysis examples ,its results show that the software has the broad application prospects in the 3D city modeling.K ey w ords :CyberCity ;3D city modeling ;3D model editing ;texture mapping
收稿日期:2009-02-27
作者简介:王文宇(1974—
),女,副教授,博士,研究方向:地理信息系统与遥感技术. 20世纪末,“数字化”、“数码”等概念作为一种潮流冲击着GIS 行业及全社会,因此,再现真实空间的三维可视化技术成为GIS 行业和社会的发展趋势.对于GIS 应用,传统行业———城市系统,构建城市三维景观,可以广泛应用于城市规划、城市监管、城市形象推广、房地产开发等领域.但是从早期虚拟环境下的简单交互研究到现在的真三维数字城市研究,空间数据的采集和模型制作始终是一种费时费力的“瓶颈”.
目前,城市三维景观空间数据采集的软件主要有J X4、VirtuoZ o N T 、CyberCity 等,其中CyberCity 在城市三维景观空间数据采集和模型制作方面具有较大优势.本文简单介绍城市三维重建技术及Cy 2
berCity 软件用于城市三维景观数据采集和模型制
作的主要流程.
1 城市三维建模与可视化
制作城市三维景观的方法根据数据获取的方式不同而不同,可分类如下[1]:
1)激光扫描方式建模.利用机载或地面激光扫描仪获取地物三维数据,然后配合地面摄影影像或遥感影像进行三维建模.
2)利用航空立体像对的方法.利用目标提取技术,实现航空影像房屋三维数据的半自动测量,进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数
第25卷第2期2009年6月北京建筑工程学院学报
Journal of Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Vol.25No.2J un.2009
字影像的基础上,实现建筑物可见表面纹理恢复,重建城市三维景观.
3)利用造型软件建模.如:3DSMAX 、Auto 2CAD 、Multigen 、Maya 等.
在信息时代,城市的发展变化日新月异.城市景观三维可视化基础空间信息数据要求保持良好的现势性,数据更新的周期要短,几何精度要高.而利用摄影测量与遥感手段,可在短时间内完成大规模的基础空间信息数据生产,尤其是近年来出现的全
数字摄影测量系统,已是继模拟测图系统和解析测图系统之后的第三代全新的摄影测量系统.利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,自动化程度高,三维建模的规模越大,越能显示出其优越性.在摄影测量中,城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像通过数字摄影测量方法,精确测得建筑物的空间三维坐标,由软件自动生成建筑物的结构模型并贴上相应的纹理而构成[2],技术流程如图
1.
图1 城市三维模型重建技术流程图
城市三维景观模型构建与可视化的过程主要包括:三维建筑物结构数据的获取与处理和纹理的采集与处理两大部分.
三维建筑物数据的获取与处理,首先由人工在立体模型上获取房屋屋顶的角点并由采集的点集构成面模型,即构成单个建筑物模型.然后对所有的建筑物模型进行数据检核,检核的工作主要包
括[2]:1)拓扑结构检查.通过对每一个建筑物模型与航测像对中的立体影像的比对,检查三维模型的拓扑结构是否正确.2)建筑物顶部高程检查.3)建筑物边缘垂直与平行检查.4)建筑物共面检查.
纹理的采集与处理,纹理的获取可以从原始影像上获取,也可以实地采集.一般纹理的采集要通过这两种方法实现.首先将屋顶和墙面建立TIN 模型,并从原始影像上提取可见墙面和屋顶的真实纹理[3],而通常要到实地去拍摄照片,对于一些边界模糊或者由于遮挡等因素而无法获得真实纹理的部分,需要实地采集数据,能够反映城市三维景观的真实效果,实现城市三维模型的可视化.
2 基于CyberCity 的城市三维重建
CyberCity 软件由瑞士Cybercity A G 公司开发
研制的一套半自动化房屋重建系统,该系统不仅可以量测建筑物屋顶,也可以量测道路、河流、球场等.该系统核心技术为一套Topology G enerator 的算法[4].该软件主要由包含4个核心模块:CC 2Visual 2Star 、CC 2Modeler 、CC 2Edit 、CC 2Mapping.主要工作
步骤是:首先通过采集数据构建立体模型;然后通过
拓扑调整编辑立体模型;最后实现纹理贴图生成三维景观模型.与当前国内相关的主流软件J X4,Vir 2tuoZ o N T 系统相比,在测图模式、三维重建、纹理贴图及数据格式方面,都有很大的优势.
通过参加某地区的城市三维景观制作项目,归纳总结出应用CyberCity 制作城市三维立体景观简单的制作流程.211 CC 2VisualStar —数字摄影测量工作站
CC 2VisualStar 是数字摄影测量工作站,用来实现立体像对的定向和建筑物屋顶点的采集.首先在CC 2VisualStar 模块中按CC 2VisualStar 的操作流程,
将航片进行内定向、相对定向、绝对定向和核线重采样.定向精度要求满足《城市测量规范》成图要求.然后进行测图.
3D 点云的采集根据点的作用分为:边界点和内部点,如图2所示,P 1～P 10为边界点,P 11～P 13为内部点,而且在软件中给予不同的编码,根据编码将其构成3D 屋顶结构[5]
.
图2 CyberCity 中点的定义[5]
在CC 2VisualStar 的绘图界面的菜单中提供了
63北京建筑工程学院学报2009年
各种类型房屋的绘制的方法,如人字形屋顶,矩形屋顶、多边形屋顶,鞍状屋顶及房上房的绘制工具,而且工具的设计简单,一目了然,如人字形房屋只需采集房屋的宽度和屋脊的长度,如图3.而J X4,Vir 2tuoZ o N T 在采集数据时要测量构建建筑物屋顶的所有面,相比之下CyberCity 软件使用起来更加方便快捷,省时省力.另外,为了减少数据的冗余度和后续工作的复杂度,在绘制房屋屋顶时要注意一些细节的问题,如要尽量保持一个整体的原则,即多个房屋连在一起时,要尽量画为整体;高程值的采集要准确等.该模块将矢量文件以MP2格式保存,可以用任何文字编辑器打开并编辑
.
图3 测图窗口
212 CC 2Modeler —单个建筑物模型的构建
该模块实现单个建筑物模型的构建.将在CC 2
VisualStar 的采集的屋顶高程点数据导入CC 2Mod 2eler 中进行单个建筑物模型的构建.简单结构的房
屋,如人字形、矩形、鞍状屋顶的房屋会自动生成三
维模型,一些复杂结构的房屋需要人工干预半自动构成模型.首先导入CC 2VisualStar 中生成的MP2格式的点云文件.然后设置地面高程,如果有D TM 则导入D TM 数据,若没有则通过setup →house pro 2cess 来设置地面高程,一般为该测区平均高程值.最后进行单个建筑物模型构建,保存为V3D 格式的文件.从主菜单中选择Edit →Run ,出现两个窗口,一个为三维窗口和另一个为二维窗口,如图4.利用删除面,加面和合并面的工具在2D 或3D 窗口按照立体影像的实际模型正确构建房屋模型,以便后续的拓扑调整.在该模块中模型的构成精度为011～012m [5].213 CC 2Edit —拓扑结构调整
CC 2Edit 是一个CAD 系统,用来编辑已经在
CC 2Modeler 中生成的建筑物.调整建筑物模型的几
何结构,例如平行线的改正、建筑物的连接、制作共面的墙面、检查四边形的矩形性等.主要分为两部分的内容,一为平面位置的调整,使用格网及辅助平行线将模型的平面位置纠正为正确的平面位置[6,2],对单个建筑的纠正如图5;相邻房屋平面重叠的纠正情况如图6.二为高程值的调整,在测图的过程中,屋顶同一高程的点会有误差,或者同在一个面上的点,因为平面位置或高程的误差会导致破面的现象,这就需要将实际同一高程的点调整为一个高度,将同一面上的点调整为共面的点,如图7.这些工作都要以立体影像的实际模型为准,误差在允
许的范围之内.
图4 CC 2Modeler 中的
3D 和2D 窗口
图5 建筑物图形的纠正(虚线为纠正前的,
实线为纠正后的)
[7]
图6 拓扑结构调整(左图为调整前,右图为调整后)[7]
该模块将编辑的建筑物保存在一个3.v3d 文
档中,可以用任何文字编辑器打开并编辑.另外,最终可以将文件转换成Shapefile ,VRML ,DXF 或者FL T 等各式以便满足各种用户的需求,如VRML 方便用户用任何浏览器查看他们的项目工程,实现实时可视化;Shapefile 格式可以在ARCGIS 中对数
7
3 第2期王文宇等:数字城市三维重建技术
图7 坡面的调整(左图为调整前,右图为调整后)
据进行管理和分析[6].
在模型构建和拓扑调整方面,J X4和VirtuoZ o N T 中构建的三维模型,不能离开测量工作站独立去编辑,而CyberCity 软件使摄影测量工作站三维测量工作与建筑物构建工作独立,可以单独对三维模型进行拓扑调整提高模型构建的精度.另外,该软件文件存储的格式能够满足各种用户的需求,应用范围广.
214 CC 2Mapping —纹理贴图
在这一模块实现房屋自动纹理贴图,操作过程为:首先要将影像和所对应的v3d 文件配准;然后自动提取屋顶纹理.针对因航片拍摄的角度引起的纹理变形的部分,可以通过纹理编辑工具进行修改;而且每个建筑物的纹理贴图能够在图像处理软件中直接打开编辑、去除干扰并可对色彩做调整,并且这种变换可在三维模型中直接观察到.由于自动化程度很高,用这种方法能够在短时间内将数据量很大的三维城市模型用逼真的纹理表现出来[6].如图8所示自动纹理贴图模型.对于墙面的纹理通常需要实地去拍照采集数据,实现精细模型贴图,如图9.相比之下,J X4,VirtuoZ o N T 软件在纹理贴图方面则需要更多的人工干预
.
图8 自动纹理贴图模型
3 结束语
研究证实CyberCity 系统可达到95%
的重建成
图9 精细纹理贴图模型
功率[4].通对该软件的介绍及三维城市景观制作流
程的介绍,可以得出结论,基于CyberCity 软件进行三维城市景观的制作在测图模式、三维重建和纹理贴图方面与当前国内相关的主流软件J X4,VirtuoZ o N T 相比更加方便,快捷,省时省力;文件格式能够
满足各种用户的需要,应用范围更加广泛;而且能够生成高精度的三维城市模型.另外,该软件还包括自动化墙面纹理贴图(Wall Texture Mapping )、虚拟实境(Virtual Reality )、位相调整(Topology J udg 2ment )等各种功能[4].因此该软件在城市三维重建的发展方面有很广泛的应用前景.参考文献:
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[7] 3D CIT Y MODELL IN G WITH CY BERCIT Y 2MODEL 2
ER.[EB/OL ]http :∥https://www.360docs.net/doc/623249818.html,/workshops/SIG 2URS 22006/PDF/Poster2-Ulm.pdf
[责任编辑:王克黎]
83北京建筑工程学院学报2009年