数字城市三维建模理论与方法的研究
前言
人类进入了21世纪，以计算机科学为基础的信息技术极大地改变了人类生活的方式。数字城市的概念来源于数字地球，数字城市也是数字地球的重要组成部分。同时数字城市也是信息技术发展的必然趋势，毫无疑问，城市景观重建是数字城市的首要步骤和重要内容。以3S(GPS、GIS、RS)技术为基础，运用三维GIS技术实现城市三维景观重建，构建三维GIS系统广泛应用于国土资源管理、城市规划、公安、电力、电信、旅游等众多领域。
随着城市化进程的进一步深入，城市建设和管理所需要解决的问题的复杂性和需要处理信息的广义性，都是前所未有的。在城市信息化建设过程中，二维空间数据一直作为空间信息基础设施框架重要的数据内容，二维GIS在城市规划、交通、市政等各领域都有非常广泛的应用，但二维数据很难表现城市三维空间形态的多样性和复杂性，使用传统的空间数据是难以表现城市空间地物的形态以及相互之间的关系。城市三维空间信息则具有直观性强、信息量大、内容丰富等优点。
三维GIS作为一种能够综合地处理各种空间和属性信息的工具在城市规划、国土监测、交通管理、辅助决策等方面都有广泛的应用，随着人们对三维GIS的认识的不断深入，对城市三维信息需求的不断增加进而提出了三维城市模型的概念。通过对三维GIS中三维城市模型理论及相关的技术方法的探讨，对今后三维城市模型的研究有更为深刻的认识，为今后的工作提供指导。
摘要
数字城市是数字地球建设中的重要节点，在实现数字地球计划中占有举足轻重的地位。数字城市建设随着计算机水平的提高，目前正向三维数字城市方向快速发展。自“数字地球”的概念提出以来，在国际国内已引起广泛的关注。数字城市作为数字地球的一个节点，是数字地球中一个不可缺少的重要组成部分。数字城市的建设不仅仅是城市地图的数字化和大比例尺地图测绘、计算机化，它有自身的技术体系。因此，进行相关技术的研究和理论的探讨对数字城市的建设不仅是必要的，而且是必须的。
本文首先研究和分析了国内外数字城市的研究现状和发展，指出三维数字城市是未来数字城市建设的必然，接着介绍了城市三维模型所需要数据的来源以及获取数据的手段，然后又给出了数字城市三维模型原理和关键技术，最终介绍了数字城市三维建模的常见方法及优缺点。
关键词：数字城市；空间数据库；三维城市；地理信息系统
Abstract
Digital City is an important node in the Digital Earth, occupies a pivotal position in the realization of the Digital Earth program. Construction of digital cities with the computer raise the level of the forward three-dimensional digital city direction of rapid development.Since the concept of "Digital Earth",has caused widespread concern in the international and domestic. Digital City as a node of the Digital Earth Digital Earth, an important and indispensable part of.Construction of digital cities is not only the digital and large-scale map of the city map mapping, computerized, it has its own technology system.Therefore, the related technology research and explore the construction of digital cities is not only necessary,but must be.
This paper studies and analyzes the status and development of domestic and international digital cities,pointed out that the 3D digital city of the future digital city construction inevitable, then introduced the city's three-dimensional modeling of data sources and means of access to data.Then introduced the three-dimensional model of the digital city modeling principles and key technologies. Final common method of three-dimensional modeling of the Digital City.
Key words: Digital City;Spatial database;3D City;GIS
目录
1 绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2研究背景、目的及意义 (2)
1.3国内外研究现状及发展趋势 (3)
1.3.1 国内外研究现状 (3)
1.3.2 三维建模技术发展趋势 (4)
2 数字城市三维建模数据的获取 (6)
2.1数字城市三维建模的数据源 (6)
2.1.1 规划建筑物的设计图纸和文档资料 (6)
2.1.2 城市地形图、地籍图和2D GIS数据库 (6)
2.1.3 摄影测量方法获取的城市几何、影像、纹理及语义数据 (7)
2.1.4 利用激光扫描技术获取建筑物的几何数据 (8)
2.1.5 卫星遥感 (8)
2.1.6 合成孔径雷达 (9)
2.1.7 多数据源集成 (9)
2.2数字城市三维建模数据的获取 (11)
3 数字城市三维建模理论 (13)
3.1数字建模的基本原理 (13)
3.1.1 几何建模 (13)
3.1.2 纹理建模 (14)
3.2城市建模中所存在的问题 (14)
3.2.1 几何建模存在的问题 (15)
3.2.2 纹理建模存在的问题 (15)
3.3三维数据模型 (15)
3.4拓扑关系 (17)
3.5尺度问题 (18)
4 三维建模的关键技术 (19)
4.1高分辨率对地观测技术 (20)
4.2海量数据存储和互操作 (20)
4.3计算机宽带网络 (20)
4.4可视化、虚拟现实技术 (21)
4.5数据挖掘(D ATA M INING，DM) (21)
4.6地理信息系统(G EOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM，GIS) (22)
4.7决策支持系统(D ECISION S UPPORT S YSTEM，DSS) (23)
4.8系统集成(SYSTEM I NTEGRATION，IS) (23)
5 几种三维建模方法 (25)
5.1基于DEM与影像的城市三维景观重建方法 (27)
5.2基于2D GIS的三维景观重建方法 (27)
5.3基于真三维数据模型的方法 (28)
5.4基于A UTO CAD三维建模方法 (29)
5.5基于O PEN GL开发 (29)
6 结论与展望 (30)
致谢 (32)
参考文献 (33)
1 绪论
1.1 引言
进入21世纪，以测绘学、地理学、遥感科学、信息科学、计算机科学、空间探测和数字通信、管理科学等诸多学科的广泛交叉为特征，以计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、科学计算、可视化与虚拟现实技术、空间数据仓库技术、人工智能技术、计算机视觉、土地、经济与商业管理等技术为支撑的数字信息技术在众多领域产生了深远的影响]1[。
“数字城市”的概念源于“数字地球”概念的延伸]2[。是数字地球中一个不可缺少的重要组成部分，它是城市基础地理信息和其他城市信息结合并存储在计算机网络上的能供用户访问的一个新的虚拟城市空间。美国副总统戈尔于1998年1月21日提出了数字地球的概念后，有专家认为，所谓数字城市至少包含二个层面的内容，其一是在地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)基础上建立的计算机内的数字三维城市，其内容是将城市中的一切自然景观、建(构)筑物、道路、立交桥、水气管道、水库、公园、工厂、学校等的分布、形态、属性等数据按照一定比例尺以数字化形式构建于计算机中，形成三维城市模型，这也是一般意义上数字城市的含义；其二是指以三维城市模型作为界面加载各种专题信息系统，提供各种信息服务。如城市规划系统、城市交通管理系统、城市GPS导航系统、城市综合减灾系统、市长决策系统、以及其他各部门建立的专业性信息管理与决策系统等，随着专题应用内容的不同，各应用领域将根据各自的需要在数字三维城市的基础上补充相关的内容。这两者的结合就是未来数字城市的基本表现形式，对于未来的城市信息服务具有十分重要的意义。
1.2 研究背景、目的及意义
随着科学技术的进步，社会发展己经进入了以数字、网络等为标志的全方位信息化时代。广泛开发各类城市资源并实现资源共享，加强和推进城市信息化建设，将成为推动城市走向现代化的动力。自1998年戈尔在加利福利亚科学中心召开的Open GIS Consortium年会上正式提出“数字地球”概念以来，在世界各国得到了广泛的响应。城市，是现代人类的主要聚居地，是地球表面人口、经济、技术、基础设施和信息最为密集的地区，随着经济的快速发展，城市化将成为21世纪经济发展最重要的进程。因此，“数字城市”是数字地球网络系统的核心，是数字地球技术系统的关键和难点，所谓数字城市，是指综合运用计算机数字化手段(GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术)对城市的基础设施、功能机制进行全方位的数字采集和处理，具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、优化决策的强大功能，用于重大决策的效果预演和对未来发展预测的技术系统，又称网络城市，或智能城市，更确切的说是信息城市。
三维城市用于城市规划，可以使城市未来形态预演，业己消失的形态重现，并可根据规划成果随时修改，从而获得城市规划方案调整的科学依据，使城市规划更具前瞻性：三维城市用于城市管理，可以完成城市灾害事故和突发事件的动态模拟，实现城市各类信息的可视化查询，为政府对城市的管理和服务等提供决策的现代化工具；三维城市用于旅游，不仅可以展现城市现有景观，而且能够再现不复存在的和正在规划建设中的景点，从而对城市起到宣传作用，有助于扩大城市影响、吸引投资和游客；三维城市用于城市环境动态变化研究，可以将大量的统计数据转换成容易理解的图像，表现人类活动对环境施加的压力，预测不同人类活动条件下的环境效应。随着许多行业如：地质、矿山、海洋、
城市地下管线、城市空间规划、城市景观分析、无线通信覆盖范围分析等对三维GIS的需求日益迫切，3D GIS的理论和应用近年来受到许多学者的关注，是未来GIS发展的一个极其重要的方向；3D GIS与Internet 及虚拟现实的结合将把GIS的应用提高到一个空前的水平，是实现“数字地球”、“数字城市”的关键技术，必将成为世界各国争相抢占的科技制高点。
1.3 国内外研究现状及发展趋势
1.3.1 国内外研究现状
20世纪90年代以来，作为新的城市理念和战略，“数字城市”开始席卷全球，并成为从技术科学到社会科学多学科探讨的领域。数字城市的研究方兴未艾，从Internet以及有关专业资料的了解可知，数字城市相关技术已经开始应用于很多领域。美国、加拿大、澳大利亚等国家约在五年前就开始了“数字城市”的综合建设试验，新加坡首先提出“智能城市”的设想，并在积极进行中。在美国大约有50个城市正在或计划建设数字城市。许多发达国家也纷纷开始“数字社区”和数字城市的综合建设试验。例如，芬兰计算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的新未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，成为世界上第一个虚拟城市；日本的“东京都地域情报化基本计划”，且日本已经建成一批“智能化生活小区”、“数字社区”的示范工程；新加坡准备环绕240平方英里的岛屿，铺设一条光缆，为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线，将新加坡90%的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、上剧院、电影院、上学校、去图书馆、去医院等，实现“网上生存”的梦想；德国的Rostock大学、Stuttgart大学等研究机构目前正联合研究三维GIS在数字城市模型中
的应用，对一些城市进行的空间对象进行了分类和表示，研究，建立了数字城市模拟系统。
近年来，国内三维GIS的研究也取得了很大进展。国家基础地理信息中心、北京大学、中国地质大学、国防科技大学、武汉大学等许多科研机构在三维城市模型、多维动态GIS空间数据处理技术、三维可视化技术等研究中取得了很多成果，解决了一些三维GIS的关键技术。同时也出现一些相应的三维GIS产品，如武汉武大吉奥信息工程技术有限公司的CCGIS4.0数码城市系列软件、武汉适普公司开发的IMAGIS三维可视地理信息系统、北京灵图软件技术有限公司的三维地理信息系统平台VR Map 2.X等]3[。
总之，对于作为三维GIS和数码城市核心问题之一的三维空间数据模型的研究，虽有所进展，但目前还未进入到实用阶段，主要是以某区域的应用和实验性研究为主。三维GIS所采用的数据模型，应该不仅能表示几何信息，而且能够直接或者间接描述拓扑关系，在纹理映射方面，应该具有操作栅格影像的能力。
1.3.2 三维建模技术发展趋势
由于城市三维景观主要是人造建筑物，所以三维建筑物信息的获取与建模是城市建模的主要内容。近年来一些新的建筑物三维重建方法陆续被提出来，其主要的趋势是]4[：
(1)数据的多元化、多线索和多信息的引入和融合。新的信息或数据源的引入将降低问题的难度，这一点已经基本形成共识。
(2)提取过程中知识的运用渗透到从低级到高级处理的各个层次，在识别匹配推理过程中则大量引入人工智能的新理论与新方法，如不精确推理、非单调推理等。
(3)建筑物模型的多样化，如参数模型、棱柱模型、多面体模型以及构造实体几何模型(CSG)等，并且提取策略逐渐由单纯的模型驱动或数据驱动转向二者混合运用。
根据这些趋势，目前的典型研究主要有：从城市影像中自动提取建筑物，检测二维建筑物和DEM数据、知觉组合、线条分析、使用阴影、透视几何等辅助信息牌、直接对建筑物或表面进行建模、基于知识的系统少，以及通过影像测量并结合物体的几何知识构模出多面体对象模型的方法等；将地面与车载激光扫描系统用于三维城市重建和局部区域空间信息获取：基于机载激光扫描系统的三维重建方法；利用三维深度传感器、多CCD相机和彩色高分辨率数字相机获取的数据实现建筑物建模；利用虚拟现实技术实现三维GIS数据的可视化。其它方法如人机交互下的半自动三维建筑物建模等。
总体上看，人们更多地把注意力放在获取原始数据和实现三维可视化的技术手段上，而有关三维数据模型、三维数据库建设和管理等研究目前相对较为薄弱，这正是三维GIS进一步发展的关键所在。
2 数字城市三维建模数据的获取
2.1 数字城市三维建模的数据源
数据是系统运行的关键，一个地理信息系统的建设，80%是数据建设，可见数据在GIS中的重要性。相对与2D GIS而言，3D GIS增加了空间对象的第三维信息，从而导致描述空间对象几何数据的剧增。为了实现空间对象的真实表达，还要求获取建筑物的立面真实像片作为其表面纹理数据，从而导致数据获取难度和工作量成倍增大，如何快速自动地获取城市空间对象的3D几何数据、像片纹理数据、语义属性数据一直以来是建立3D GIS的瓶颈之一。
城市中存在着众多的数据源，不同的数据源决定着数据获取的内容、格式、精度和建立城市三维模型的方法的不同，这些数据源包括]5[：
2.1.1 规划建筑物的设计图纸和文档资料
作为城市三维建筑物的一种最初的基础参考资料，它包含建筑物各部分的详细信息，但从中提取3D几何建模所需要的数据时，需要人工判读和输入大量数据，为把3D模型放在地理参考框架中，需在实地完成和地面控制的联系，因此工作量巨大，这种方法仅适合于少量建筑物的建模。也可以把根据3D建筑设计软件包形成的3D设计模型直接通过接口导入到GIS系统中，但这种模型只能用于可视化目的，无法对其进行空间操作和查询。
2.1.2 城市地形图、地籍图和2D GIS数据库
这些数据源不仅含有3D建模所需要的几何信息：如地理目标的位置、建立DTM所需要的等高线或高程点、建筑物的屋顶形状、建筑物占地边界与面积、屋顶的倾斜、屋顶边缘的方向、建筑物的高度、层数等
属性信息，而且含有丰富的属性和语义信息，如建筑物的用途、材料、建筑物的建筑年代、名称、结构、权属等。城市中的现有纸质模拟地图可通过数字化仪、扫描仪等工具结合专业软件转化为数字地图和2D GIS 中的数据。但这类数据源缺少建筑物垂直面的几何和纹理信息。
2.1.3 摄影测量方法获取的城市几何、影像、纹理及语义数据
数字摄影测量不仅可以为建立三维城市模型提供丰富的几何和像片纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。摄影测量能够有效地产生具有拓扑结构的几何数据，记录语义信息，对有明显轮廓的建筑物，能够提供很高的三维重建精度。从数字航空影像立体像对中还可测得建筑物的高程以及建立地表面DTM，且具有以下优势：
(1)适合于大面积数据获取；
(2)可灵活对待LOD及精度，具有高精度目标重构的潜力；
(3)可获得高度的完整性；
(4)在量测城市目标时不存在安全问题；
(5)允许及时地量测；
(6)在立体模型上放置矢量数据，保证方便地检验和交互性地数据库更新；
(7)提供附加的影像库，提供像片纹理映射及生成真正正射像片的可能性。
但航空摄影测量在建筑物稠密区域有遮掩现象，不能有效提供建筑物立面的几何和影像纹理数据，这些缺陷可以通过其它数据获取手段(如地面摄影)加以补充。正因为如此，摄影测量是目前3D数据获取的具有吸引力的方法之一。
2.1.4 利用激光扫描技术获取建筑物的几何数据
高精度激光扫描仪能够获取物体表面高解析度的数字距离影像；影像中包含被扫描物体大量的球面坐标信息，这些坐标可转换到笛卡尔坐标系中，并进一步作用于有关3D的应用中。利用激光扫描可以构建建筑物的3D几何模型，建立DTM，与其它数据获取采集方法结合，同时获取像片纹理数据，因此是很具有发展前途的一种3DCM数据源。
2.1.5 卫星遥感
随着美国亚米级商业卫星系统的建立，卫星遥感己进入一个高分辨率、高精度、高时间分辨率、多光谱、低费用的时代。高分辨率遥感影像保证了地面的资源、环境、社会与经济的主要内容都可以清晰可见，可以为城市3D城市模型的建立，提供详细、丰富的几何和语义信息数据，是生成正射影像数据(DOQ)和DEM的重要数据源；其高精度特点实现了以前只有用航空像片才能达到的精度，保证影像对于较小目标特征的识别更加有效，高分辨率和高精度两者结合起来使得卫星遥感影像得以深层次应用；高时间分辨率意味着可短期重复获得同一地区的影像，从而保证获取数据的动态性，实时性和现势性；低费用则使用户买得起，用得上。所以高分辨率卫星影像将是未来最具有发展前途的3D城市模型数据来源。1米级卫星影像数据在军事上的应用早己不成问题，甚至厘米级的技术水平也已经达到。在民用上美国政府已授权商业卫星系统在1998年早些时候提供1米分辨率的遥感卫星，但此项计划由于技术上的原因被推迟了。计划中发射的1米分辨率的民用卫星见表2—1。
表2—1美国计划发射的遥感卫星
Tab.2-1 U.S.plans to launch remote sensing satellite
卫星名称Early Bird Quick Bird Orb view CRSS GDE系统
公司Earth Watch Earth Watch Orb image Space imaging com GDE系统公司
全色分辨率 3 1 1 1 1
多波段分辨率15 4 4 4 4
成像带宽(公里) 30 10-20 4-15 11 15
轨道高度(公里) 470 470 460-470 680 700
重复成像周期 2 2 2-3 3 2
工作寿命（年） 5 5 2-5 5 5
2.1.6 合成孔径雷达
合成孔径雷达(SAR)是一种全天时/候的微波成像雷达，不仅可以详细地、较准确地观测地形、地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表和自然植被收集地表下面的信息。它是从空间对地观测的一种有效手段，能够产生地面目标区域或地域的高分辨率地图。干涉合成孔径雷达(INSAR)可以用于获取地球表面高分辨率的三维地形图或等高线图，监测一些自然现象导致的地势变化。机载SAR系统可以提供最高分辨率的DEM，而星载SAR则可以提供较大的数据覆盖。由于SAR干涉测量具有全天候工作、不受观测地域上空大气、云层等限制，只需极少数控制点，高分辨率进行图像处理和广泛的应用范围等特点，因此INSAR技术成为当前遥感界研究的最新课题，也是城市高程数据及地表DTM模型的很有发展潜力的一种数据源。
2.1.7 多数据源集成
以上几种数据获取方法各有特点, 同时又存在着各自的局限性。航空摄影测量和遥感虽然可以提供目标的几何特征、语义特征、像片纹理等数据，但获取的主要是建筑物顶面的信息，漏掉了建筑物立面的大量几何和纹理信息。而地面摄影则只能获取建筑物立面的信息；彩色摄像机具有较快的成像速度且提供的彩色图像具有较高的分辨率，但难以提供环境的三维描述，而LRF(Laser Ranger Finder)获取的距离图能很好地提供场景的三维描述，但其精度低，通常图像含有较多噪声等。不同的数据获取手段之间往往存在着互补性，因此利用多数据源的集成方法
来建立3D城市模型一直是人们关注的焦点。比较具有代表性的研究成果有：T.SADA,et al.(1998)提出了一种用静态摄像机和GPS RTK 的混合系统来测定地面点的三维坐标及影像纹理的方法；R.Wurlander,et al.(1996)根据摄影测量和3D计算机图形方法构建DEM，实现地形可视化；Gunter Pomaska(1996)提出了基于多影像摄影测量的3D模型的建立方法。根据地面摄影测量和航空摄影测量组合获取3D城市模型数据，然后利用Auto CAD建立建筑物3D模型，再对其进行真实像片纹理映射，生成高度真实感像片纹理3D模型；Claus Brenner，et al.(1998)提出了(地形图、地籍图)+(激光扫描)+(地面摄影)的多数据源组合建模方法,即从平面图(地形图、地籍图)和空中激光扫描的数字表面模型(DSM)中获取建筑物3D几何数据，地面摄影测量获取建筑物立面像片纹理数据。用SCG法进行3D重构所得到的3D几何模型辅以纹理映射，从而形成建筑物的照片纹理真实感3D模型：V.A.Knyaz(1998)提出了一种为根据激光扫描仪获取的3D模型建立真实纹理的方法(激光扫描+近景摄影测量)，用静态或动态摄像机获取3D距离模型的纹理参考点的距离信息用于在3D模型相关坐标系中对数字影像外定向，然后产生模型的正射像片，并给出了建立像片写真模型的硬件和软件，以及利用激光扫描技术进行建筑物3D重构和贴加纹理的结果。
Zhongchao shi(1998)介绍了一个根据数字相机和模拟相机拍摄像片经扫描及Photo-CD组合的3D建筑物可视化数据生成系统，Armin Gruen(1998)提出了一个由不同数据源(航空影像、地面影像及地图)混合构成城市模型的框架。T.E.CHEN and R.SHBIASAKI(1998)提出了一种根据现有GIS数据库及规划建筑物的文档资料结合数字摄影测量技术进行3D数据获取的方法，从2D GIS数据库和建筑物文档资料获取数据，借助3DS、Auto CAD或Open GL进行建筑物的3D模型，然后把其镶嵌到由
CCD相机拍摄的背景影像中，产生一种逼真的城市景观图。相机的方向参数的确定基于从GIS数据库中提取的一些明显的水平和垂直线：Sabry F.EL—HAKIM,et al.(1998)设计了一种集成了激光扫描仪，模拟CCD相机及数字彩色相机的数据采集和记录系统—DCR系统，3D数据既可以采自Lasern Range finder，又可以来自摄影测量重叠的2D像片。纹理数据直接来自距离传感器，摄影测量像片或全部来自高分辨率数字彩色相机。
2.2 数字城市三维建模数据的获取
为简要地说明3D城市建模所需数据类型及获取方法，把有关内容如下表格2-2表示]6[：
表2—2三维城市建模所需要的数据类型及获取手段
Tab.2-2 Type of 3D city modeling the data needed, and access to means
数据类型数据获取手段
建筑物的高度数据在2D GIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度
用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取(以建筑物屋顶数据为主) 以研究算法为主,从影像中直接提取建筑物高度以及其它信息
用机载激光扫描仪结合空中影像,经过算法处理提取建筑物高程
用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物高度
由混合测量系统获取
由INSAR获取
建筑物的几何要素数据根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据
将数字地图或2D GIS中的建筑物轮廓线与其高度(由层数计算或其它方式得到)结合,用简单几何体表达建筑物外形特征
使用航空影像进行交互获取;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在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获
使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取
由混合测量系统获取
由移动测绘系统获取
建构筑物及地面的纹理数据由计算机生成
根据航空摄影像片获取根据卫星遥感像片获取
根据地面摄影像片直接获
用机载激光扫描仪结合空中影像，经过算法处理提取建筑物顶部纹理用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物立面纹理
由移动测绘系统获取
DEM数据根据地形图上等高线及高程数据生成
直接使用2D GIS中的DEM数据
通过处理航摄影像生成
由机载激光扫描仪直接扫描并经后续处理得到用SAR/INSAR获取
其他数据规划设计图纸、地形图、地籍图现有2D GIS数据库
野外调查与现有数据库的结合计算机简单模拟绘制
在当今数字化程度越来越高的时代，地理信息系统中包含的信息再也不能只局限在2维或2.5维，必须将真实的三维世界表现出来,这是数字地球时代的必然，也是传统GIS的一次飞跃。随着空间信息技术的发展，新的问题也必将随之出现，新问题的出现也将促使多门学科的结合，数据获取手段将越来越丰富，数据精度也越来越高。张祖勋院士在2003年亚洲GIS年会的报告中论述了用低空直升机对街道两侧建筑物进行摄影，在相片处理过程中同时获取建筑物几何数据和纹理的方法，该方法在与日本的合作中获得了“令人意想不到的效果”。
在具体应用中，究竟采用何种数据采集方法，并没有一个定论，应根据需要综合考虑多方面如：数据精度、时间、经济因素等的因素后采取合适的方案，达到最优的效果。
3 数字城市三维建模理论
3.1 数字建模的基本原理
城市建模应该分为几何建模(geometrical modeling)与纹理建模(texture mapping)两部分组成，具体包括]87[，：
(l)正射影像和DEM构成三维地形。
(2)由房屋的几何模型和纹理构成三维建筑物。
(3)以及三维的植被(森林)与其他地物所组成。
其中(3)的纹理一般用虚拟建模来实现，计算机图形学的不断发展对此已经作出了极大的贡献，在此不做详细讨论。对于(l)和(2)，根据要求、原始资料的不同，城市建模的方案也不相同。例如有的城市建模对地面的纹理要求不高，正射影像采用TM图像和DEM构成；反之，应采用航空影像。又如欧洲的屋顶结构非常复杂，如果要对屋顶进行建模，就必须应用航空摄影的影像；反之，若对屋顶的三维建模要求不高，房屋的几何建模可以由数字线划图实现，房屋的高度根据楼层的数目进行估计。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由空中对地观测，不能清晰地反应房屋的墙面纹理，当前解决墙面的方法多是以地面摄影的方法获取。随着空间定位与激光技术的发展，由空中对地进行激光扫描的数据，在几何建模中的作用将会愈来愈重要。因此城市建模的原始资料、方案、途径很多。
3.1.1 几何建模
几何建模包括数字地面模型DTM的建立与地物三维空间数据的提取。DTM可以从航空立体影像对或高分解率卫星立体影像对采用影像匹配技术自动提取(有时也需要一些人工编辑)，也可以利用己有的地图扫描数字化的矢量化等高线、采用等高线保形的DTM内插法生成。在数字
城市中，基本上还是采用矩形格网的DTM。地物(主要是房屋)三维空间数据的获取可利用航空航天立体影像对，目前主要是在数字摄影测量系统上以人工立体量测的方式提取。若对屋顶的三维建模技术要求不高，也可利用已有地图扫描数字化的矢量数据(或者地面测量数据或者GIS 中已有的矢量数据)。若获取的矢量数据只是二维的，则房屋的高度需要根据楼层数推算。在获取地物的三维空间数据后，要将其组成面与体，以便于后续检索与可视化处理。
3.1.2 纹理建模
生成具有真实感的城市三维景观，就需要在城市地形表面粘贴真实的纹理影像。地面纹理主要来自利用航空影像制作的正射影像。当地面的纹理要求不高时，可采用精纠正的卫星影像(如TM、SPOT及IKONOS图像等)，对于小的区域，也可采用地面摄取的影像。对于建筑物而言，由于其顶部在影像上一般都可见(被周围高大建筑物遮挡的除外)，因此其顶面的纹理可以从航空影像提取，部分墙面的纹理也可以从航空影像提取。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由高空对地观测，不能清晰地反映建筑物的墙面纹理，目前解决墙面纹理的方法多是以地面摄影的方法获取，即对每一墙面摄取影像，由人机交互量测影像中墙面的角点，并切割、映射，从而得到墙面纹理。
3.2 城市建模中所存在的问题
如上节所述，城市建模的途径很多，在技术上似乎也不复杂，似乎也很容易实现，但事实不然。目前城市建模的问题很多，我们可以归纳为]9[：
(1)创造几何实体是一个非常累人的工作，而对于一个城市来讲，城市三维建模工作量太大，对硬件的要求太高，工作周期太长。
(2)对于所建立的规划模型如单体的建筑很难完成与周边环境的融合，因而大大降低工作效果。
(3)因为漫游需要实时完成，需要代价比较高昂的高性能硬件绘制设施和显示设备。
其次，城市规划领域在展示规划效果与设计方案时，主要是通过实地踏勘结合建立规划/建筑模型、规划表现图、动画制作等方式进行，但这些方法都存在缺陷。简单地说，就是工作量大、资料量大、成本高、结果还不尽满意。具体而言，还是能分解为两类：几何建模的问题与纹理建模的问题。
3.2.1 几何建模存在的问题
从表面上看，似乎几何建模问题已经解决。但是实际上，建筑物(特别是屋顶)建模依然是手工操作，建模的自动化或半自动化问题还远未解决。目前有些发达国家已经考虑采用激光扫描(laser scanning—Lidar)资料来重建“三维城市”可以直接建立城市三维的数字地面模型(DTM)，其平面点位密度可以达到1m(甚至更密)，高程精度可以达到30cm(甚至更高)。但是如何与影像配合，从如此密集的高程信息提取规则的面，重建屋顶，以及提取其他信息(如农田)，其问题非常复杂，远没有解决。
3.2.2 纹理建模存在的问题
墙面纹理的重建，多数采用在地面上对墙面进行摄影——在此将它称为“基于墙面的摄影”，然后进行纹理的映射。在实地对建筑物进行摄影是一个十分困难的问题：摄影机到建筑物的距离限制、遮挡严重、效率低下。如何改变摄影方式、提高效率、减少遮档、遮挡的自动处理等都是城市建模中急需解决的重要课题。
3.3 三维数据模型