三维数字城市建模及数据获取
基于CityEngine CGA规则的三维数字城市建模
基于CityEngine CGA规则的三维数字城市建模范伦;韩健【摘要】针对当前数字三维城市建模工作量庞大、周期较长的问题,本文基于CityEngine提出了一种CGA规则建模方法,该法利用既有二维数据,通过建立规则,实现区域建筑物和构筑物批量建模.实验结果表明,CGA规则化建模可动态构建三维建筑模型,模型的编辑性较强.相似建筑物可重复使用同一规则,因此大大提高建模速度.同时,CGA规则化建模可减小数据获取成本,缩短建模周期,大幅提高建模效率.【期刊名称】《城市勘测》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】4页(P58-61)【关键词】数字三维城市;CityEngine;地理信息数据库;CGA;不动产调查【作者】范伦;韩健【作者单位】珠海市测绘院,广东珠海519015;中国人民解放军32023部队,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】P208.21 引言目前，三维数字城市已成为数字城市建设不可缺少的重要部分，并藉以三维城市获取更多的空间信息和属性信息，三维城市在城市规划、管理及提高城市政府管理服务水平等方面起到了积极作用[1]。
我国一些重点城市如深圳、广州、上海、苏州等已建成三维数字城市，在城市管理和便捷服务方面起到了重大作用[2]。
然而，随着三维数字城市规模的增大，出现了数据获取量大、建设周期长、共享性不良等问题，一定程度上阻碍了三维数字城市建设[3]。
如何利用、共享已有数据，最大程度缩小数据获取成本，提高建设效率便成为研究的热点问题。
虽然三维建模软件AutoCAD、Sketchup、3ds Max等具有较高的工作效率[4]，Open GL三维图形库或VRML虚拟现实建模语言具有较强的开发定制能力[5]，但在利用已有数据方面，远远不如GIS平台。
由于CityEngine兼容CAD和GIS数据，且在精细建模和联合建模中有广泛应用[6～9]，因此可利用现有GIS数据快速创造三维模型，缩短建模周期。
XXX市数字城管系统改造项目数据普查建库及三维实景影像采集项目实施方案
XXX市数字城管系统改造项目数据普查建库及三维实景影像采集项目实施方案XXX市数字城管系统更新：数据普查与三维影像项目计划项目背景随着城市化的飞速发展，城市管理变得越来越复杂，传统的管理方式显得捉襟见肘。
因此，XXX市决定对数字城管系统进行一次彻底的改造，以此来提升管理效率和服务水平，合理配置资源。
目标与范围这次项目的主要目标，就是通过数据普查和三维实景影像的采集，建立一个全面、精准的城市管理数据库，以便为决策提供有力支持。
具体来说，我们要做到以下几点：1. 系统收集道路、建筑、绿地等基础数据。
2. 利用三维影像技术，获取城市的立体信息，增强直观性。
3. 搭建一个数据共享平台，实现部门之间的信息互通与协作。
现状与需求分析目前，XXX市面临的一些挑战包括：- 数据缺乏系统性，信息孤岛现象严重。
- 城市管理缺少实时监控，决策依据不足。
- 服务水平不高，市民对管理的不满情绪逐渐上升。
针对这些问题，我们迫切需要通过数据普查和建库来弥补现有的不足，同时借助现代技术提高管理的效率。
实施步骤项目的实施分为几个主要阶段：数据普查在这一阶段，我们需要明确普查的范围和内容，包括：- 道路交通情况- 公共设施的分布- 建筑物的信息- 绿化情况普查工作将组成多个小组，各组负责不同区域的数据收集，确保数据的一致性和可比性。
三维实景影像采集影像采集是这个项目的核心，主要包括：- 选择合适的影像采集工具，比如无人机和360度摄像头。
- 制定详细的采集计划，确保覆盖全市的重要区域。
- 对影像数据进行后期处理和存储，以确保数据的安全性和完整性。
通过三维影像的方式，我们可以更加生动地展示城市的立体信息，为后续的数据分析打下基础。
数据建库完成数据普查和影像采集后，接下来的工作就是建立数据库。
主要步骤包括：- 选择合适的数据库管理系统，以确保其稳定性和安全性。
- 整合普查和影像数据，建立统一的数据模型。
- 开发数据管理平台，方便城市管理部门的日常使用。
如何进行数字城市建模
如何进行数字城市建模数字城市建模是指利用数字技术和数据分析方法对城市进行全面、系统的建模，以实现城市规划、发展和管理的科学化和智能化。
数字城市建模的目的是通过模拟城市内部和外部环境的变化，提供决策支持和优化方案，帮助城市实现可持续发展，提升居民的生活质量。
本文将从数据收集和处理、模型构建和分析以及应用实践等方面探讨如何进行数字城市建模。
一、数据收集和处理数字城市建模的第一步是收集和处理大量的城市数据。
这些数据包括城市地理信息、人口分布、交通状况、环境质量等各个方面，可以通过传感器、监测设备、智能手机等多种途径获取。
收集到的数据需要进行清洗、整理和融合，使其能够被模型识别和分析。
此外，还需要考虑数据的时空特性，以便在模型中进行准确的表达和预测。
二、模型构建和分析在数字城市建模中，模型的构建和分析是核心环节。
模型可以采用多种形式，如系统动力学模型、代理模型和神经网络模型等，用来模拟城市的物理、社会和经济过程。
构建模型时，需要考虑不同因素之间的相互作用和影响，以及它们对城市系统的发展和运行的复杂性。
模型可以根据不同的目标进行设计，比如城市规划、环境保护、交通管理等方面。
模型分析则是通过对模型进行参数优化、敏感性分析、模拟实验等操作，来获取模型的输出结果，并进行解释和评估。
模型分析的目的是理解城市系统的运行机制、预测未来的变化趋势，并提供决策支持和政策制定的依据。
通过模型分析，可以识别城市存在的问题，找出优化的方案，并进行评估和比较，以实现城市规划和发展的可持续性。
三、应用实践数字城市建模的最终目的是应用于实际的城市规划和管理中。
通过数字城市建模，可以对城市的发展方向、人口流动、交通拥堵等进行预测和分析，为城市规划和决策提供科学依据。
例如，可以通过模拟人口增长和流动的模型，预测未来城市的人口分布和需求，为城市基础设施建设和公共服务提供指导。
又如，可以通过模拟交通状况的模型，优化交通信号控制和线路规划，提高交通效率和减少拥堵情况。
三维数字城市建模精度与制作标准研究
三维数字城市建模精度与制作标准研究城市是区域经济、政治和文化中心，是现代产业高度集聚的地区和国民¾-济持续发展的载体，创造和集聚着国家巨大的物质财富，在我国¾-济社会发展中起着主导和带动作用。
“数字城市”是物质城市以二进制形式在计算机中的再现和反映，是以信息技术（尤其是地理信息技术）为核心、以网络技术为支撑的城市信息管理与服务体系，“数字城市”的建设任务就是利用现代高科技手段，充分收集、整合、挖掘城市各种信息资源，建立面向政府、企业、社区的信息平台、应用系统以及政策法规保障体系。
本文结合项目实际，探讨了三维数字城市工程建设中的模型建造的精度和标准问题。
三维城市模型（3DCM）是对真实城市的三维数字化表现，它突破传统平面地图的限制，通过对地形、地物的数字化三维模拟，提供给使用者一个与真实生活环境类似的虚拟城市环境，通过对三维虚拟城市的数字化管理，可为城市规划、建设与运营提供可持续发展的信息化服务，从而提高城市空间信息共享和利用水平，提升城市整体信息化管理水平。
当前，三维“数字城市”的研究与实践已¾-十分广泛，武汉市三维数字地图旨在搭建武汉市三维数字模型数据库，并建立三维数据的更新与维护机制，在此基础上，建成服务于城市规划设计与审批、城市建设和运营管理的空间信息平台。
一、三维城市模型制作精度三维城市模型是建设三维数字城市的基础和载体。
三维模型的制作精度直接影响可视化表现效果，模型制作越精细，场景表现效果越逼真。
但是，高精度的三维空间数据不仅会严重影响系统速度，同时也增加了模型建造成本，延缓了模型生产进度，因此，确定三维模型的制作精度，是项目初期就要考虑的问题。
三维模型的制作精度应满足软件系统的功能需求，因此，模型的建造应立足于应用；同时考虑到后期功能扩充和技术发展趋势，还应留有升级的余地。
综合考虑各种因素，武汉市三维数字地图项目的模型建设确立了以下原则：1、根据系统需求划分不同的LOD模型三维城市模型应分为多个级别进行建造，不同级别对应不同的简化程度和不同的应用领域。
数字城市建模收费标准
数字城市建模收费标准数字城市建模是指利用数字技术对城市进行模拟和仿真，以便更好地规划城市发展、提升城市管理水平和服务质量。
在当今数字化时代，数字城市建模已经成为城市规划和管理的重要工具。
因此，对于数字城市建模服务的收费标准也成为了人们关注的焦点之一。
首先，数字城市建模的收费标准应当根据项目的复杂程度和规模进行制定。
一般来说，数字城市建模服务包括城市地理信息系统数据采集、城市三维模型构建、城市仿真分析等多个环节，而这些环节的复杂程度和规模会直接影响到服务的收费标准。
例如，对于一个小型城市的数字建模项目，收费标准可以相对较低；而对于一个大型国际化城市的数字建模项目，收费标准则会相对较高。
其次，数字城市建模的收费标准还应当考虑到服务的专业性和技术含量。
数字城市建模涉及到地理信息系统、遥感技术、三维建模技术、仿真分析技术等多个领域的知识和技能，因此，服务的专业性和技术含量也应当成为制定收费标准的重要考量因素。
一般来说，服务的专业性和技术含量越高，收费标准也就越高。
另外，数字城市建模的收费标准还应当考虑到服务的时效性和效果保障。
在数字城市建模项目中，时效性和效果保障是至关重要的。
因此，服务商需要投入大量的人力、物力和财力来保障服务的时效性和效果。
这也意味着，服务的时效性和效果保障会直接影响到收费标准。
最后，数字城市建模的收费标准还应当考虑到市场需求和竞争状况。
随着数字城市建模技术的不断发展和城市规划管理的不断深化，数字城市建模服务的市场需求也在不断增加。
因此，服务商需要根据市场需求和竞争状况来制定收费标准，以便更好地满足客户的需求并保持市场竞争力。
综上所述，数字城市建模的收费标准应当综合考虑项目的复杂程度和规模、服务的专业性和技术含量、时效性和效果保障以及市场需求和竞争状况等多个因素。
只有在综合考量各项因素的基础上，才能制定出合理、公正的收费标准，从而更好地推动数字城市建模服务的发展和应用。
使用数字摄影测量进行三维建模的步骤与技巧
使用数字摄影测量进行三维建模的步骤与技巧随着技术的不断发展，数字摄影测量被广泛应用于城市规划、建筑设计、文化遗产保护等领域。
通过使用数字摄影测量技术，我们可以在短时间内获取高精度的三维数据，从而实现三维建模。
本文将介绍数字摄影测量进行三维建模的步骤和技巧。
第一步，选择合适的设备和材料。
在进行数字摄影测量之前，我们需要准备好合适的设备和材料。
首先，需要一台高分辨率、高像素的数码相机，以保证拍摄的照片质量。
其次，需要一个稳定的三脚架，用于固定相机，避免拍摄过程中的晃动。
此外，还需要一条高精度的测量尺，用于测量实际场景中的尺寸。
第二步，选择合适的拍摄角度。
在进行数字摄影测量时，拍摄角度的选择非常重要。
要尽可能地避免透视畸变和遮挡。
因此，在选择拍摄角度时，应该尽量选择对称、稳定的位置，并确保摄像机与被拍摄物体之间的垂直角度为90度。
第三步，拍摄照片。
在进行数字摄影测量时，需要拍摄大量的照片，以覆盖被测对象的各个角度和细节。
为了确保测量的准确性，应该保持拍摄过程中相机的稳定，并在不同角度和距离上进行多次拍摄。
第四步，图像处理。
拍摄完照片后，需要对其进行图像处理。
首先，需要对照片进行校正，以去除透视畸变和图像畸变。
其次，需要对照片进行配准，以达到像素级的匹配。
最后，需要对照片进行融合，以生成完整的三维模型。
第五步，模型生成。
在图像处理完成后，可以使用特定的软件生成三维模型。
通常，这可以通过将配准后的照片导入三维建模软件中来实现。
在建模过程中，需要调整模型的参数和细节，以达到预期的效果。
第六步，模型优化。
生成的三维模型可能存在一些不完善或不准确的部分。
因此，在进行模型优化之前，需要对其进行检查和修复。
可以使用各种修复工具和算法，如纹理映射、拓扑修复等，以改善模型的质量和外观。
第七步，模型应用。
生成的三维模型可以应用于多个领域和用途。
例如，可以将其用于城市规划中的场景演示和模拟，以帮助规划师和决策者更好地理解和分析城市环境。
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。
城市三维建模数据采集方法的研究
第２ １卷第 ４ 期
２０ ０ ７年 １ ２月黑龙江工程
学
院
学
报（ 自然科 学 版 ）
Ｖｏ ． １ Ｎ ４ １ ２ Ｑ． Ｄｅ ． ２ ０ ｃ ，０ ７
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站， 以航空立体像对 为基础进行城市 三维建模数据采集 的方法 。
关键 词 ： 城市建模 ； 数字摄影测量 ； 数据采集
中 图 分 类 号 ：２ １５ Ｐ ３ ． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １ ６ ９ ２ ０ ）４ ０ １ ３ １７ —４ ７ （０ ７ ０ —０ ２ —０
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（6）使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。高分辨率卫星影像的出现，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。
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城市三维空间信息获取
三维对象几何要素 数据获取
纹理数据 获取
（1）由计算机作简单模拟绘制。 （2）地面摄影像片直接提取。 （3）根据航摄像片由计算机生成。
三维激光扫描技术可以不受扫描环境的影响主动发射激光,通过 自身发射的激光的回波信息来解得目标物表面点的三维坐标信息。
高分辨率、高精度
三维激光扫描可以快速的获取高精度,高分辨率的海量的点位数 据,就可以高效率的获取目标物表面点的三维坐标,从而达到高分 辨率的目的。
数字化兼容性好
多学科融合
通过直接获取数字信号采集数据的,所以具有全数字特征,方便 进行后期处理和输出,且它的后期处理软件与其他软件有很好的 共享性。
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引
言
城市三维可视化与数据建模密不可分,城市实体三维建模是实现城市三维 可视化的关键,城市实体的三维表达与分析都是重要的研究内容。构成数字城市的 各种空间实体在几何结构、内部属性等方面都具有不规则性、不确定性和复杂性, 整个城市实体就是一个三维、动态的开放系统。
表示地理信息空间数据的六大要素包括地貌、居民地、植被、水系、道 路和境界,对于城市而言,其中重要的是地貌和居民地。 从实体建模的角度看,城市模型主要分为地形模型和地物模型两个大类, 包括地形、地物以及实体空间位置的几何模型和描述地表覆盖、地物纹理信息等。
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（4）由空中影像获取。这种方法主要用来获取地面影像。
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野外数据采集
常规仪器的测量采集
一般是指测绘地形图的作业，是对地球表面的地物、地形在水平面上 的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小，用符号和注记绘制成地形图 的工作。
分类：
主要仪器：
主要部分：
成图方法：
全站仪 地面数字测图 RTK
综上，可以理解三维城市就是具有三维地理空间信息，反映客观现实世界或者未来 规划，具有空间浏览、属性查询和应用分析的综合信息系统。
城市三维可视化系统是指能对城市区域内空间对象进行三维描述和 分析的GIS应用系统,是一个可视现实和虚拟现实集成的系统。 三维可视化技术在城市规划、市政管理、公共交通、电力、水利、 旅游等多个领域得到了广泛应用。
这种方法适用于 精度高、采集面积较小 的场合。 优点是可以获取 高精度的DEM数据。 缺点是劳动强度 较大、效率较低,不适 用于大范围面积DEM 数据的获取。
地形图数字化
通过对地形图进 行扫描,利用ArcGIS和 CAD等软件对扫描得 到的栅格图像进行矢量 化,然后添加地形特征 线,最后生成DEM。 这种方法所需的 原始数据源(地图)容易 获取,对作业所需的仪 器设备和人员的要求不 太高,采集速度也比较 快。
三维对象几何要素 数据获取
纹理数据 获取
地形是数字城市中最重要的地理对象,是城市实体的三维空间基础。利 用正射影像加数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)可以生成三维地形的 图形表示。 数字高程模型(DEM)是地形表面形态的数字表示。DEM是地理信息系统中 最重要的空间信息资料和进行地形分析的核心数据,也是绘制三维实体和进行地 形分析的重要基础数据。 生成方法：
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摄影重要数据：
•建筑物三维重建模型（DLG） •数字高程模型 （DEM )
•数字正射影像 ( DOM )
16
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王者的微笑
感谢您的观看！
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三维数字城市建模及数据获取
课后思考题汇报
吴旭祥
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引
言 随着数字城市技术的发展，以二维数据为主体的GIS应用,已经不能满 足城市专业应用的空间数据表现形式；
三维城市是基于虚拟现实技术，把客观现实世界中的城市在电脑上模拟出来。 但它又具有其自身的一些显著特点： （1）是对客观现实世界的真实反映，或者对将来的规划。 （2）可包含绝对地理空间坐标，具有地理空间定位性。 （3）可以进行三维空间几何分析和属性分析方面的应用。
全数字摄影测量
该方法以航摄 立体像对或高分辨 率遥感卫星立体像 对作为数据源,根据 视差模型、自动选 配左右影像的同名 点,建立DEM。 已经成为从航 空遥感影像中提取 地面三维信息的重 要手段。
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城市三维空间信息获取
DEM数据获取 建筑物高度 数据获取
（1）在2D GIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度。 （2）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） （3）以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。 （4）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、纹理以及其它 数据。
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城市三维空间信息获取
建筑物高度 数据获取
三维对象几何要素 数据获取
（1）将2D GIS中的建筑物轮廓线与建筑物高度结合，用简单几何体表达建筑物外形特征。 （2）利用航空影像进行交互式获取。 （3）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。 （4）在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。 （5）采用近景摄影测量方法，获取建筑物的几何形状数据。它不仅可以获取建筑物外部的几 何形状信息，也可以测量其内部几何信息，适用于对单体建筑的量测。对于获取结构复杂的建筑物， 如古建筑的数据也是一种比较理想的选择。
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目
录 城市三维空间信息的内容 城市三维空间信息获取
野外数据采集
激光扫描测量系统 摄影测量方法
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城市三维空间信息的内容
数字线划数据： 是将空间地物直接抽象为点、线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。 影像数据： 包括遥感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像。 数字高程模型： 即三维地形数据，实际上是地表物体的高程信息。 属性特征： 是在虚拟现实系统中构建城市三维模型所必需的信息 。
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激光扫描测量系统
非接触测量 数据采样率高 主动发射扫描光源
采用非接触目标的方法，无需反射棱镜，对扫面目标物体不需进 行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据 完全真实可靠。
采样点数据远远高于传统测量的采样点数据,脉冲式激光扫描方 法的采样点数可达到数千点/秒,而相位式的激光测量更可高达数 十万点/秒。
涉及现代电子、光学、机械、控制工程、图像处理、计算机视 觉、计算机图形学、软件工程等技术，是多种先进技术的集成。
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摄影测量系统
航空影像是建筑物重建的主要数据源，它是三维城市数据获取最经 济快捷的方法之一。 航空摄影测量[aerial photogrammetry]指的是在飞机上用航摄相机 对地面连续摄取有一定重叠度像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘 等步骤，绘制专题地图的作业。
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城市三维空间信息获取
在三维数字城市制作中，模型制作的主体包括：
地物要素模型
建筑物模型
地面模型
建筑物模型是主体 三维数字城市模型的数据源主要有：
卫星影像
航空影像
近距激光扫描数据
机载激光扫描数据
人工测量数据
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城市三维空间信息获取
DEM数据获取 建筑物高度 数据获取
（1）直接使用2D GIS中的DEM。 （2）通过数字摄影测量系统，处理航摄影像（包括高分辨率遥感影像）生成。 （3）由机载激光扫描系统直接扫描并经后续处理得到。 （4）用合成孔径雷达（SAR）获取数字高程模型。
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城市三维空间信息获取
DEM数据获取 获取DEM数据主要方法
野外实地测量
控制测量 碎步测量
使用成图软件制 作地形图
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激光扫描测量系统
三维激光扫描仪（ 3D laser scanner ） 通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器。
三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)
三维激光扫描技术，是通过三维激光 扫描仪获取目标物体的表面三维数据；对获取的 数据进行处理、计算、分析；进而利用处理后的 数据从事后续工作的综合技术。三维激光扫描技 术又称为“实景复制技术”，它不同于单纯的测 绘技术，主要面向高精度逆向工程的三维建模与 重构。