06第四章-3城市地形三维建模分析
如何进行三维地形模型构建与分析
如何进行三维地形模型构建与分析地形模型是地理信息系统(GIS)中重要的组成部分，它提供了对地表形态和地貌特征的三维可视化和分析。
三维地形模型的构建与分析越来越受到学术界和工业界的关注，在城市规划、自然资源管理和灾害防治等领域具有广泛的应用。
本文将介绍如何进行三维地形模型的构建与分析，并探讨一些实用的工具和方法。
一、数码摄影与激光雷达技术构建三维地形模型的首要任务是获取地表的几何数据。
目前常用的方法主要有数码摄影与激光雷达技术。
数码摄影利用高分辨率的数码相机拍摄地面景物，通过计算机图像处理和摄影测量技术生成三维模型。
激光雷达则利用由飞行器或地面设备发出的激光脉冲探测地面，通过接收脉冲返回的时间和强度信息来计算地表高程。
二、地表数据处理与配准获得地表数据后，需要对其进行处理和配准。
数据处理包括图像校正、去噪和配准等步骤。
图像校正主要是校正图像失真，使其符合真实地面形态；去噪则是去除图像中的干扰信息，保留真实地表的特征；配准是将不同数据源获得的数据进行精确对准，以保证后续分析的准确性。
三、地形模型构建通过地表数据处理后，可以开始构建三维地形模型。
常用的方法包括三角网格化和体素化。
三角网格化是将地表数据进行三角形拟合，生成一个连续且光滑的地表模型。
体素化则是将地表数据划分为小立方体（体素），每个体素代表一个地表区域，再通过插值等方法生成连续的三维模型。
这两种方法各有优缺点，选择应根据具体需求和数据特点进行。
四、地形模型分析三维地形模型的分析是利用模型来探索地表特征、模拟地貌过程和预测地理现象的方法。
常见的地形模型分析包括地形剖面分析、坡度和坡向计算、流域提取和水文模拟等。
地形剖面分析是通过抽取地表数据的剖面来分析地表形态的变化。
坡度和坡向计算则是分析地表的陡峭程度和朝向。
流域提取可以根据地表高程和水流方向进行，用于分析洪水的传播和河流的形成。
水文模拟则是模拟地表径流和水文过程，用于灾害风险评估和水资源管理。
测绘技术三维城市建模方法与应用案例
测绘技术三维城市建模方法与应用案例三维城市建模成为了现代城市规划与管理的重要工具，它通过利用测绘技术为城市提供了准确、高效的地理信息，并将之转化为可视化的三维模型，为城市的发展与管理提供了有力的支持。
本文将介绍一些常用的三维城市建模方法，并以具体的应用案例来展示其实际效果。
一、激光雷达测绘技术激光雷达是一种高精度、高效率的测量技术，它可以快速获取大范围内的地理信息。
在三维城市建模中，激光雷达可以通过扫描城市建筑物表面，获取其精确的形状和空间位置。
通过激光雷达与GPS和惯性导航系统的联合使用，可以实现对城市建筑物的精确定位和三维测量。
以某城市的立交桥建模为例。
激光雷达通过扫描立交桥表面，获取了其几何形状和拓扑关系。
在建模过程中，可以根据扫描数据，通过点云处理软件将扫描点云转化为三维模型。
这样一来，城市规划者可以在模型中进行多角度观察和分析，为立交桥的扩建、维护和改造提供决策依据。
二、摄影测量技术摄影测量技术是一种利用相机设备进行地理测量的方法，它可以通过对城市进行航空或卫星摄影，获取大范围内的地理信息。
在三维城市建模中，摄影测量技术可以通过对城市建筑物的立面进行影像测量，获取其高程和纹理信息。
举个应用案例，某城市规划部门需要对市区的建筑物进行密度分析，以便合理规划社区和交通路网。
通过航空摄影获取的高分辨率影像，可以通过影像处理软件进行立面测量，从而获取建筑物的高程信息。
再结合城市的地理信息系统数据，可以将建筑物的高程信息与地块数据进行叠加分析，得出城市建筑物的密度分布图。
三、卫星遥感技术卫星遥感技术是一种利用卫星传感器获取地球表面信息的方法，它可以通过遥感图像获取城市范围内的地理信息。
在三维城市建模中，卫星遥感技术可以通过获取高分辨率的卫星影像，对城市建筑物进行识别和分类，进而实现三维模型的构建。
以某城市的商业中心区域建模为例。
通过获取的高分辨率卫星影像，可以使用对象识别算法对影像中的建筑物进行自动提取和分类。
测绘技术中的三维地形模型构建方法
测绘技术中的三维地形模型构建方法一、简介随着科技的不断发展，测绘技术在地理信息领域中起着关键的作用。
其中，三维地形模型的构建是测绘技术的重要组成部分。
本文将介绍几种常见的三维地形模型构建方法。
二、光遥感技术光遥感技术是利用航空和卫星等远距离感测技术获取地表信息的一种方法。
这种技术可以捕捉地表的光谱信息，并根据光的反射特性来推断地形模型。
在构建三维地形模型时，光遥感技术可以通过计算地表光谱的反射率来确定地表的高程。
这种方法适用于广泛的地形，但对于复杂的地形或者有密集植被的区域，精度可能会有所下降。
三、激光雷达技术激光雷达技术是一种通过发射激光束并测量其反射时间来获取地表高程信息的方法。
激光雷达可以获取高精度的地形数据，并能够在复杂地形和植被覆盖区域中工作。
这种技术的原理是通过测量反射时间来计算光束传播的距离，从而推断出地表的高程。
激光雷达技术在测绘领域中被广泛应用，其数据精度高，可靠性强。
四、摄影测量技术摄影测量技术是指通过航空摄影或者卫星影像等方式来获取地表信息的方法。
这种方法通过对地表图像进行解译和测量，可以获取地形的高程信息。
在构建三维地形模型时，摄影测量技术可以通过影像中的相对尺度和相对定位关系来计算地表的高程。
该技术可以根据卫星影像或航空摄影的精度，以及地面控制点的数量和分布情况来决定数据的精确度。
五、差分全球定位系统(DGPS)差分全球定位系统是一种通过精确测量接收器和卫星之间的时间差值来计算地理位置的方法。
差分GPS技术可以通过比较基准站和移动接收器之间的差异来消除大气和系统误差，从而提高准确度。
在构建三维地形模型时，差分GPS可以通过收集接收器在不同位置的GPS数据，根据测量点之间的距离差异来计算地表的高程。
这种方法适用于小范围的地理区域，精度高。
六、结论综上所述，测绘技术中的三维地形模型构建方法有很多，包括光遥感技术、激光雷达技术、摄影测量技术和差分全球定位系统等。
不同的方法适用于不同的地理区域和测量需求。
三维城市建模
三维城市建模一、引言三维城市建模是利用计算机技术对城市进行虚拟化的过程，在虚拟环境中模拟真实的城市情景。
随着计算机技术和地理信息系统的发展，三维城市建模在城市规划、土地管理、交通规划等领域逐渐得到了广泛应用。
本文将介绍三维城市建模的基本概念、方法和应用。
二、基本概念1.1 三维城市模型三维城市模型是对真实城市进行数字化表示的虚拟模型。
它包含了城市的地理和空间信息，可以呈现出真实城市的地形、建筑物、道路和其他相关要素。
三维城市模型可以由不同类型的数据生成，如卫星影像、激光扫描数据、地理信息系统数据等。
1.2 三维城市建模的目的三维城市建模的目的是为了更好地理解和分析城市，支持城市规划和决策。
通过三维城市模型，城市规划者和决策者可以模拟不同城市发展方案对城市形态、交通流动等的影响，从而做出更科学、合理的决策。
三、三维城市建模的方法2.1 数据获取要生成三维城市模型，首先需要获取城市的地理和空间信息。
这些信息可以通过多种途径获得，如卫星影像、航空摄影、激光扫描等。
这些数据需要经过处理和整合，才能生成可用于建模的数据集。
2.2 建模技术三维城市建模有多种技术可供选择，常用的包括：- 基于关系数据库的建模方法：将城市的地理信息存储在数据库中，通过查询和分析数据库中的数据生成三维模型。
- 基于光栅化的建模方法：将城市的地理信息转化为栅格图像，然后通过将图像转换为三维模型。
- 基于几何建模的方法：使用数学和几何算法生成城市的三维模型，可以根据需要添加建筑物、道路等元素。
2.3 建模精度三维城市建模的精度取决于数据的质量和建模方法的选择。
高精度的建模需要更精确和详细的数据，并且可能需要使用更复杂的建模算法。
建模精度的选择也要根据具体应用场景进行平衡，以满足实际需求。
四、三维城市建模的应用3.1 城市规划三维城市建模可以为城市规划提供重要的辅助工具。
通过模拟不同规划方案的效果，可以评估不同方案对城市形态、交通流动、环境影响等的影响，从而指导城市规划的决策和实施。
城市三维数据建模过程
自从戈尔提出“数字地球”的概念后,用数字形式表示地理空间成为热点,数字省市、数字城镇已经成为世界各国发达省市和地区21世纪的发展战略,成为争先抢占科技、产业和经济的制高点之一。
在构建数字城市的过程中,城市三维景观建模是一个重要的组成部分,是摄影测量与遥感、地理信息系统及计算机科学等学科的研究内容之一。
城市三维景观的建立,将以全新的方式表达和处理地理空间信息，在城市规划、房地产开发、交通管理、旅游等领域起着重要的作用。
随着信息化时代的迅速发展,人们对城市中各种三维信息的表达与处理日益迫切,不仅需要表达单个建筑物或建筑物群体,还需要建立整个城市景观模型,并希望利用这些模型进行有关城市的规划设计、应急指挥等工作。
然而,由于快速构建大规模三维模型较困难,城市三维建模受到数据资源不足的困扰。
一方面,规则、简单的建筑物难以真实表达现实的三维世界;另一方面,精细建模不但费时费力,数据量也给系统后期的可视化和空间分析带来很多难题。
在数字区域研制中,城市虚拟建模往往面临着“数据量大,任务繁重,硬件要求高,开发周期长”的难题,从而大大限制了该领域的发展。
为此,笔者通过对比研究和实验,综合已有的方法，针对城市景观模型的特点，探索出一个相对经济快捷的解决方案，并以skyline系列软件为平台，以河南许昌市为试验区，完成城市三维景观的构建，为城市三维景观的建设提供了一个思路，相信对于推动我国城市三维建模将会有所帮助。
1三维建模研究现状目前人们对城市三维景观建模作了很多研究，三维建模从技术本质上将，大致有如下三种实现技术：一是直接使用三维模型制作软件,如SketchUp、3DMAX等软件进行建模; 二是直接利用传统GIS的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模,各建筑物表面还可以加上相应的纹理;三是利用数字摄影测量技术进行三维建模。
第一种方法能逼真地表示城市的精细结构和材质特征,但所建模型不能表示真实的地理位置,且制作需耗大量的人力和物力。
如何进行城市地形的三维模型重建
如何进行城市地形的三维模型重建城市地形的三维模型重建是近年来数字地图和虚拟现实领域的研究热点之一。
通过利用现代测绘技术和高精度的地理数据，可以实现对城市地形的准确重建，为城市规划、交通设计、灾害管理等领域的决策提供有效的支持。
本文将讨论如何进行城市地形的三维模型重建，并介绍相关技术及其应用。
一、数据采集城市地形的三维模型重建首先需要进行数据采集。
常用的数据采集技术包括航空摄影测量、激光雷达扫描、卫星遥感等。
航空摄影测量可以通过飞机或无人机进行，利用相机拍摄的连续航空照片可以获取地面的高分辨率影像。
激光雷达扫描则能够直接测量地面点的三维坐标信息，可以获取高精度的地形数据。
而卫星遥感可以提供大范围的地表信息，但其空间分辨率有限。
二、数据预处理在进行城市地形的三维模型重建之前，需要对采集到的数据进行预处理。
首先，对航空摄影测量或激光雷达扫描获取的点云数据进行过滤和分类，将地面点和非地面点进行区分。
其次，对航空照片或遥感影像进行几何校正和配准，以保证数据的准确性和一致性。
最后，对不同数据源的数据进行融合，以获取更全面和精确的地形信息。
三、地形建模城市地形的三维模型重建可以采用几何模型或物理模型。
几何模型是基于点云数据或地理信息系统（GIS）数据进行建模，常用的方法有TIN（三角形不规则网格）模型和DEM（数字高程模型）模型。
TIN模型通过将地面点云进行三角化处理，得到一系列相邻三角形构建的模型。
DEM模型则是基于地面点云或遥感影像的高程信息，利用插值算法生成的连续表面。
物理模型则是基于物理原理进行建模，例如水动力学模型、地质力学模型等，能够更真实地反映地形的形态变化和演变过程。
四、模型验证与优化在进行城市地形的三维模型重建之后，需要对模型进行验证和优化，以提高模型的精度和逼真度。
验证方法可以采用场地调查、实地测量等手段，通过与实际地形进行对比，评估模型的准确性。
优化方法可以采用模型拟合、参数调整等技术，根据验证结果对模型进行进一步调整和优化，以提高模型的真实性和可靠性。
3D城市模型构建与可视化技术探讨
3D城市模型构建与可视化技术探讨在当今数字化时代，3D 城市模型构建与可视化技术正以惊人的速度发展，并在众多领域发挥着重要作用，如城市规划、建筑设计、交通管理以及虚拟现实等。
这项技术为我们提供了一种全新的方式来理解和感知城市空间，让我们能够更直观、更全面地把握城市的结构和功能。
一、3D 城市模型构建的基础要构建一个准确、精细的3D 城市模型，首先需要大量的数据采集。
这些数据来源多种多样，包括卫星图像、航空摄影、地面测量以及建筑图纸等。
通过这些手段，我们可以获取城市的地形地貌、建筑物的形状和位置等基本信息。
在数据采集完成后，接下来就是数据处理和建模的过程。
这需要运用到多种技术和工具，比如地理信息系统（GIS）、计算机辅助设计（CAD）以及 3D 建模软件等。
建模的方法也有多种，常见的有基于多边形的建模、参数化建模和基于点云的建模等。
基于多边形的建模是一种较为传统的方法，通过创建三角形或四边形的网格来模拟物体的表面。
这种方法在表现复杂的几何形状时具有一定的优势，但对于大规模的城市模型构建，可能会面临数据量过大和处理速度慢的问题。
参数化建模则是通过定义一系列的参数和规则来生成模型，具有较高的效率和可编辑性。
但它对于建模人员的专业知识和经验要求较高。
基于点云的建模则是利用激光扫描或摄影测量获取的点云数据直接构建模型，能够较为真实地反映物体的形状和细节，但数据处理的难度较大。
二、3D 城市模型的可视化技术有了 3D 城市模型，如何将其以生动、直观的方式呈现出来也是至关重要的。
可视化技术在这方面发挥着关键作用。
一种常见的可视化方式是使用三维渲染引擎。
这些引擎能够根据模型的几何形状、材质和光照等信息，生成逼真的图像。
通过调整光照参数、材质属性和视角，可以营造出不同的视觉效果，让用户仿佛置身于真实的城市环境中。
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的出现，为 3D 城市模型的可视化带来了全新的体验。
通过佩戴 VR 设备，用户可以完全沉浸在虚拟的城市环境中，自由地探索和交互。
三维城市建模
三维城市建模三维城市建模技术流程技术⽅法数据信息典型案例1.三维城市建模技术流程三维城市建模的技术流程2.三维城市模型的数据与信息三维城市模型的信息来源三维城市模型的数据与信息三维城市模型的4D产品三维城市信息编辑与管理三维场景地形点云与建筑物模型根据航拍影像⾃动提取建筑物模型航拍的城市像⽚⾃动或半⾃动提取的建筑物模型⾃动或半⾃动提取的建筑物模型⾃动或半⾃动提取的建筑物模型倾斜摄影测量⽅法建⽴的城市街景3.主要技术⽅法3.1 卫星遥感遥感技术是从⼈造卫星、飞机或其他飞⾏器上收集地物⽬标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。
⽬前利⽤⼈造卫星每隔18天就可送回⼀套全球的图像资料。
利⽤遥感技术，可以⾼速度、⾼质量地测绘地图。
3.2 航空遥感航空遥感从19世纪末⾮动⼒飞⾏平台的航空摄影、经过20世纪30年代⾄80年代初的胶⽚航空摄影，发展到⽬前的基于POS系统（Positioning Orientation System）对地定位的光学/数字、激光⼿段，⽆论在飞⾏平台，还是在成像、导航、定位定向等传感器上都发⽣了巨⼤的变化，使航空遥感技术朝着⾼空间分辨率、⾼光谱分辨率、全谱段和多传感器集成应⽤⽅向发展，呈现出蓬勃的⽣机。
1. 胶⽚航空摄影航空摄影作为遥感信息获取的重要⼿段之⼀，由于具有机动灵活、⾼空间分辨率、成像机理简明、易于进⾏图象处理、信息提取、信息综合等特点，被⼴泛应⽤于农业、林业、交通、国防、城乡规划、制图等领域。
航空摄影技术的发展最早可追朔到1839年⼈类利⽤“摄影术”成功获取的第⼀张像⽚。
⼆⼗世纪初，由于航空航天技术的发展，航空摄影开始兴起。
早期的航摄仪以⼿持式为主。
⼆⼗世纪五⼗年代，带坐架和导航设备的航摄相机开始问世并投⼊⽣产作业，其典型的代表有：RMK、RC8、AφA等。
受技术所限，其像幅均为18×18cm，⾊差消除多限制在可见光范围内，物镜畸变差较⼤（⼤于10um）。
七、⼋⼗年代，推出了新⼀代航摄仪RC10、RC20、RMK A、MRB、LMK，像幅扩⼤到23×23cm，⾊差消除范围达400-900nm，物镜畸变差均⼩于7um，并具有影像位移补偿功能。
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9
第二节 城市地形三维建模分析
实验九 城市地形三维建模分析
目的
1.
深入了解GIS空间分析功能的特点和用途。
初步掌握ArcGIS环境下不规则三角网（TIN）及
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第二节 城市地形三维建模分析
实验步骤
1. AutoCad 地形数据njdj_dx.dwg转换进入ArcGIS
新建Geodatabase
在ArcCatalog中找到dwg文件（浅蓝色表示），并将
其中的多义线（线形）数据右键导出到Geodatabase
设置Geodatabase中导出线形Feature Class的空间参考
打开3D Analyst工具栏 使用Create TIN命令，并选择合适的图层及字段 （Elevation） 设置保存路径并生成TIN
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第二节 城市地形三维建模分析
4. 将所生成的TIN调入ArcScene，进行检视，对TIN
的各项设置进行修改，达到合适效果。
5. 通过3D Analyst或者Spatial Analyst工具栏的
6
第二节 城市地形三维建模分析
不规则三角网（TIN）模型特点
不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面 的形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和
密度。
不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏
变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，
因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征 点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。
2
第二节 城市地形三维建模分析
DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵
表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所
有表达地面高程的数字表示。
在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数
据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，
称为“派生数据”，如坡度、坡向、粗糙度等，
并可进行通视分析、流域结构生成等应用分析。
3
第二节 城市地形三维建模分析
DEM的主要表示模型 规则格网模型
规则网格，通常是正方形。规 则网格将区域空间切分为规则的
格网单元，每个格网单元对应一
个数值。数学上可以表示为一个 矩阵，在计算机实现中则是一个
二维数组。每个格网单元或数组
的一个元素，对应一个高程值。
4
第二节 城市地形三维建模分析
成选Grid栅格形式DEM三维地形模型，并将结果与TIN进 行比较。 尝试设置转换过程中的各种参数，分析参数的作用。 尝试使用Surface analysis表面分析功能进行更多类型的3 维表面分析。
等高线模型
等高线模型表示高程，
高程值的集合是已知的，
每一条等高线对应一个已
知的高程值，这样一系列
等高线集合和它们的高程
值一起就构成了一种地面 高程模型。
5
第二节 城市地形三维建模分析
二、不规则三角网（TIN）模型
1、规则格网DEM存在许多难以克服的缺陷：
1）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 2）在不改变格网大小情况下，难以表达复杂地形的突变现象； 3）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。 不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是 另外一种表示数字高程模型的方法： 它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算 （如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。
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第二节 城市地形三维建模分析
2. 打开转换所得的线状图层，提取等高线
使用ArcMap的Select by attributes命令（或者 ArcToolbox内的Select工具）选择Elevation字段 在合适范围内的多义线，其余的删除
3. 使用Create TIN命令，取等高线的高程信息 生成TIN
2 5 X 1 3 6 X 4 2 3 1 2 6 4 X X 5 8 7 8 6 7 X X
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点文件
三角形文件
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第二节 城市地形三维建模分析
层次模型
层次地形模型（Layer of Details，LOD）是一种表达多 种不同精度水平的数字高程模型。大多数层次模型是基于
不规则三角网模型的，通常不规则三角网的数据点越多精
2.
数字地形模型的生成方法，并对运用空间分析方
法解决实际规划问题建立初步认识。
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第二节 城市地形三维建模分析
要求 以南京市东郊地区等高线地形图dwg为基础， 在ArcGIS中生成不规则三角网（TIN），并在 此基础上创建3D地图，进行观察。 尝试在ArcGIS中利用东郊地区地形数据库进行地 形分析。 实验数据 南京市东郊地区地形图njdj_dx.dwg。
第二节 城市地形三维建模分析
一、数字地形模型（DTM）
二、不规则三角网（TIN）模型
三、城市地形三维建模分析实验
1
第二节 城市地形三维建模分析
一、数字地形模型（DTM）
数字地形模型（DTM）与数字高程模（DEM）
数字地形模型（DTM, Digital Terrain Model）是 地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空 间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字 地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模 型（ DEM ，Digital Elevation Model）。 DTM建模可用于土地利用现状的分析、合理规 划及洪水险情预报等。
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第二节 城市地形三维建模分析
1 X Y Z 2 X Y Z 3 4 5 6 X Y Z X Y Z Y Y Y Y Z Z Z Z
6 5 6 7 7 1 1 3 2 5 4 8 4 3 2 顶点 邻接三角形
X X 7 X 8 X
1 2 3 4 5 6 7 8
1 5 6 1 4 5 1 2 4 2 5 4 4 3 3 6 5 7 4 4 8 8 8 7
Surface analysis菜单功能，建立坡度、坡向分析
图。通过视线分析功能进行视线分析。
6.设计不同视角、不同大小的图像4-6幅，并通过
File – Export命令保存为jpg图像
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第二节 城市地形三维建模分析
1.
课后作业
尝试使用ArcToolbox中的Topo to raster工具将等高线转换