作者：曾雅娟
来源：《科技创新与生产力》 2017年第6期
摘 要：针对目前全国广泛开展的数字城市建设中的最大问题——城市三维仿真数据库建设，提出了传统人工建模和倾斜摄影自动化建模2种技术，并针对“数字城市”对三维仿真数据库的基本要求，分析了这2种技术在“数字城市”建设中的特点，提出了三维模型多级精度全覆盖的三维数据库组织形式，为缩短城市三维建模工期，降低城市三维建模成本，提升城市三维建模效果提供参考。
关键词：GIS;三维仿真：人工建模：倾斜摄影：数据库
中图分类号：P208.2：TP391.9：TP311.13
文献标志码：A
DOI:10.3969/j．issn．1674-9146.2017.06.056
随着我国“数字城市”研究与建设的不断推进，许多城市的规划系统融合地理信息和三维仿真等技术，逐步开展了城市三维仿真数据库的建设工作，并以此作为基础数据平台研发了三维仿真辅助决策平台等应用型计算机软件。该类基础数据平台的建设和应用软件的研发，能够将城市现状与规划建设情况以形象、直观的三维立体形式进行多分辨率、多尺度、多种类的表现，目前已广泛应用于城乡规划、城市管理等领域，有效提升了相关工作的科学性和信息化水平。在开展上述工作过程中，构建城市三维仿真基础数据库是最为基础的一项工作，也是投入最大、耗时最长的一项工作。在“数字城市”建设之初，三维仿真基础数据库均采用传统建模方式开展，以3ds Max为平台人工构建三维仿真数据场景，典型代表有北京、厦门、重庆、长沙等城市。随着航空测量技术的逐步发展，为满足三维仿真基础数据库在工作效率、成果精度等方面的要求，近年来倾斜摄影自动化建模技术逐步开始取代传统建模方式，典型代表有宁波、南京等城市。两种数据建模方式各有优劣，为解决在实际工作中建模方式难以权衡、选择的问题，本文将对两种建模方式进行全面的对比研究。
1 数字城市”对三维仿真数据库的基本要求
1)数据生产的快速化。随着各城市对“数字城市”建设的迫切需求，对基础三维仿真数据库的建设周期有了更高的要求，历经数年逐步建设和扩展相应数据覆盖范围的传统建模方式已无法满足当前的实际需求。
2)数据采集的精细化。为真实反映城市现状风貌， “数字城市”对三维仿真数据采集现状纹理的分辨率和真实度有了更为严格的标准和要求，如楼层高度、地形高差、建筑色彩、小品形态等数据的纹理必须与实际一致。
3)数据内容的属性化。“数字城市”建设和应用有赖于地理信息和三维仿真技术的协同，在使用建设成果的过程中，除了通过三维仿真技术直观了解城市形态外，更需要借助具备各类属性的三维仿真数据辅助决策，满足精细化管理的需求。
4)数据浏览的高效化。城乡规划与城市综合管理等日常工作越来越倚重“数字城市”建设成果的应用，其使用频率的大幅提升和数据覆盖的显著扩展对数据浏览的高效性和流畅性提出了更高要求，也意味着在相应数据产生过程中对数据的优化有了更高的要求。
2 三维仿真数据建模技术对比研究
通过多年的技术发展和业务实践，目前应用最为广泛、成果最为丰富的三维仿真数据建模技术主要包括传统人工建模技术和倾斜摄影自动化建模技术，前者以数据成果的美观、精细见长，但其制作周期较长、工艺流程复杂，而后者则以数据成果的快速、写实见长，但其在近地数据精度和属性化处理方面有待进一步提升。
2.1 传统人工建模技术
国内“数字城市”建设工作开始较早的城市均采用传统人工建模技术完成了三维仿真基础数据的制作。为方便制作与管理，该建模技术首先将需要制作的三维仿真模型的区域范围按路网划分为若干地块。在外业数据采集方面，采用人工现场摄影或摄像的方式采集需要制作范围内的建筑、地面和景观等物体的外立面图像，结合CAD数字地形图和正射影像图等基础数据，整合得到建筑物等其他物体的结构和纹理数据。在内业数据制作方面，通过3ds Max数据制作软件的处理，建立三维素体块模型，并使用3ds Max软件对模型进行光影烘焙，得到带有纹理数据和光影效果的三维仿真模型。具体流程见图1。
图1 传统人工建模基本流程
经过多数城市的实践，传统人工建模技术相较于其他建模技术应用较早，技术成熟，其技术优势主要包括以下3个方面。
1)数据成果组织灵活。传统人工建模技术生产的三维仿真模型数据可以按行政区域和三维仿真模型类型进行图层分层存储，方便数据调用与管理，也能够与应用软件GIS数据进行深层次对接，建立三维模型数据场景和GIS数据库的关联，可调用现有的GIS数据，为三维模型数据库赋予二维数据的属性。
2)数据更新方式多样。传统人工建模技术生产的三维仿真模型数据采用分片区制作流程，每个对象均为独立模型，在对三维数据场景进行局部修改或实时更新时，只需对相应的独立模型进行替换或添加，无需整体更新，能大幅降低数据修改和更新的工作量。
3)数据容量相对较小。传统人工建模技术生产的三维仿真模型数据，在保证模型精细程度的基础上，均已删除不需要表现的数据内容，并严格控制模型数据的面数，尽可能降低贴图分
辨率或采用公共贴图，从而使模型数据容量降低，一般PC电脑均可以流畅使用城市级三维场景浏览。
虽然传统人工建模技术具备上述技术优势，但在其制作过程中，需要大量人工进行外业数据采集和内业数据制作，基础数据构建时间较长，较难满足当前“数字城市”基础数据快速化生产的需求。同时传统人工建模技术需要大量的人工干预，对于不具备精确几何参数（如仅标注层高的建筑高度等）的建模工作多以人工估算为主，模型几何精度相较采用倾斜摄影等技术生产的数据有待提高。
2.2 倾斜摄影自动化建模技术
倾斜摄影自动化建模技术是近几年新兴，并十分流行的三维模型制作技术，它通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直和东、南、西、北等5个不同的角度采集影像，并使用自动化建模技术生成三维模型数据以完成相数据生产。在倾斜摄影航空摄影测量方面，需要先向军方和航空局申请三维数据制作范围的空域，然后根据数据精度和工期的要求，采用相应的飞行器和航摄仪，通过航空摄影测量获得倾斜摄影航空影像和倾斜航摄仪姿态数据。在三维数据自动处理方面，采用使用广泛的Smart3D软件，该数据处理软件基于摄影测量原理，对大重叠度倾斜影像进行空三加密、密集匹配等处理，最终快速自动生成三维标准模型数据，全程无需人工干预，具有广泛的数据源兼容性和多种数据输出格式。具体流程见第58页图2。
图2 倾斜摄影自动化建模基本流程
近几年经过技术的不断发展，倾斜摄影自动化建模技术相比其他建模技术展现出了许多优势与特色，其技术优势主要包括以下3个方面。
1)数据生产速度快。倾斜摄影自动化建模技术采用飞行器搭载多角度相机获取航空影像，再通过软件自动生成三维模型，数据生产过程人工干预相对较少，主要通过高性能计算机处理器处理，能够大批量快速生成三维模型数据。
2)数据成果精度高。倾斜摄影自动化建模技术采用直接获取的高分辨率航空影像和激光雷达( Lidar)点云数据生成三维模型数据，可在未提供其他辅助基础数据的情况下，生成高精度三维模型数据，较为真实地反应地物的外观、位置、高度等基本属性，弥补传统人工建模在部分数据精度上存在的缺陷。
3)数据建设成本低。倾斜摄影自动化建模技术前期航测和后期数据处理人力投入较少，且设备与软件可重复利用，生产效率较高，在不考虑数据精确校准和修正的前提下，其自动生产数据的建设成本相对较低，能够在一定程度上节约建设投入。
虽然倾斜摄影自动化建模技术具备上述技术优势，但是因为倾斜摄影自动化建模技术使用较晚，技术不是很成熟，制作的三维模型数据均为三角面构成，相应贴图的数据组织复杂，生成的数据面数巨大，难以进行编辑和优化提取，致使场景加载浏览速度较慢。且离地面较近的地方纹理提取困难，导致生产出来的倾斜摄影模型不能做到完全平整，建筑物底部等位置可能存在扭曲变形和出现空洞，临街表现效果较采用传统人工建模等技术生产的数据有待提高。
2.3 建模技术对比研究
1)模型生产速度。倾斜摄影自动化建模技术借助无人机等多种飞行载体，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模，其以大批量数据生产为特色，每天数据产量可达2—6 km2,而传统人工建模数据生产方式则需耗费大量时间和人力，每天生产的数据微乎其微，一个月仅能完成2 km2左右数据，在同等资源投入情况下，倾斜摄影模型生产速度可达传统手工建模速度的数倍Is]。如中小城市人工建模工作量需用1—2年的时间，而采用倾斜摄影自动化建模技术只需3-5个月即可完成。
2)模型加载效率。由于倾斜摄影模型是以超高密度点云生成的数字表面模型(DSM)，不同于人工建模可以控制模型的表面数量，它通过计算机自动处理会生成数据量惊人的三角面，例如对于一块200 mx200 m区域的模型数据，大约需要50万个面数据表示，就是对于一栋6层居民单体建筑来说，也需要近2万个面来表示，而如果运用人工建模，最多用数百个面表示就已足够。所以，传统手工建模场景浏览速度快于倾斜摄影模型数据场景浏览速度（见图3、图4）。
图3 倾斜摄影自动化建模素模线面图
图4 传统人工建模素模线面图
3)模型浏览方式。传统手工建模技术都是通过人工现场采集照片，然后把照片处理成干净清晰的纹理贴图，再把纹理赋予模型，所以传统手工模型任何面都是干净清晰的，能够支持多
方位、多视角、无间隙浏览。而倾斜摄影模型数据在80—100 m甚至更高鸟瞰视点浏览数据时效果极佳，与真实现场基本无异，但因无法采集建筑底商数据，进行低空或人行视点浏览数据时，因数据自动采集的局限陛整体效果较差，场景在临街面浏览时效果不佳（见图5）。
图5 倾斜摄影自动化建模模型人行视点效果图
4)模型几何精度。传统人工建模技术虽以1:500 LL例尺地形图为基础资料，能保证模型数据的位置和高程精度，但一般地形图中缺少建筑高度属性，所以人工建模多根据建筑层数等参数粗略估算地物的高度和其他未标注的地形图的属性，导致高层建筑的高度可能跟实际高度有数米，甚至数十米的误差。而倾斜摄影自动化建模技术能够通过控制飞机的高度和相机参数调整模型几何精度，一般都能把地物的几何精度误差控制在0.05 m以内，如果最求更高精度，甚至可以把误差控制在0.02 m以内。所以在模型几何精度方面，倾斜摄影自动化建模技术明显优于传统手工建模技术。两种建模技术对比隋况见表1。
表1 两种建模技术对比情况表
3 昌吉市三维仿真数据库建设
昌吉市三维仿真数据库建设是昌吉市城市规划管理信息系统建设项目的重要组成部分，是三维仿真辅助决策平台的运行与运用基础，其建设目的主要为展示城市建设现状风貌、支撑三维辅助规划评审和构架数字昌吉基础数据。
3.1 项目技术方案对比分析
根据昌吉市实际情况，针对建成区提出3种三维仿真数据库构建模式，这3种三维仿真数据建模技术方案对比见表2。
表2 建成区三种建模技术方案对比表 （万元）
1)全部传统人工建模优劣分析。传统人工建模分为基础资料整合和内业数据制作2个阶段。主要包括确定数据技术标准，收集前期资料，采集现场数据，制作三维模型，最后生成三维场景等。优势是传统人工建模技术生成的三维模型场景加载效率非常快，在一般配置的笔记本电脑上浏览也十分流畅，且支持全方位多视角浏览，在近地面浏览沿街数据也十分精美。劣势是采集现场数据和制作三维模型需要花费大量的人力，因此建设工期一般都比较长，结合该项目实际情况，大约需要12个月时间，且因需要大量人工干预，所以数据的几何精度不会很高。该方案预算需要300余万元。
2)全部倾斜摄影建模优劣分析。倾斜摄影自动化建模分为倾斜摄影航空测量和三维数据自动化处理2个阶段。主要工作是通过航空测量得到航空影像和相机姿态数据，再通过自动化处理软件获得三维标准模型数据。优势是2个阶段都只需投入少量的人力，大部分工作通过计算机自动化处理，所以该方案建设工期比较短，结合该项目实际情况，大约需要2个月的时间，且因只需少量人工干预，所以数据的几何精度很高。劣势是该技术生产的三维模型数据由大量的三角面组成，数据量巨大，导致三维场景模型的加载效率比较低，且近距离浏览或近地面浏览时模型表面较模糊，无法表现实物具体细节，比较难以满足规划分析中需要在人行视点观察建筑物的要求。该方案预算需要180万元。
3)传统人工和倾斜摄影相结合建模优劣分析。该方案集2种建模技术的优势于一体，弥补了各自的劣势。2种建模方式并行开展，可以节约大量工期，结合该项目实际情况，大约需要3个月的时间。主城区采用人工建模方式，可有效降低模型数据量，使三维场景模型加载效率相对全部倾斜摄影建模加快很多，又可满足对主城区需要近地浏览及其他浏览方式重点展示的要求，以及对周边城区进行规划项目分析时需要精确的模型精度要求。该方案预算需要200余万元。
由表2及上述分析可知，采用两种建模技术相结合的多级精度全覆盖方式构建昌吉市三维模型数据，相对于全部传统人工建模技术制作精细模型的模式，在工期和成本上节约了很多，而且相对于全部倾斜摄影自动化建模的模式，展示效果又有巨大提升。采用多级精度全覆盖模式构建城市三维模型不仅满足了昌吉市展示城市建设现状风貌、支撑三维辅助规划评审及构架数字昌吉基础数据的要求，而且可以提升数据整体展示效果，优化三维方案评审应用及降低前期建设投入，丰富了数据更新途径。因此运用此多级精度全覆盖模型构建城市三维模型数据库是最优方案。
3.2 项目方案实施
依据上述多种方案对比分析结果和昌吉市城市规划与建设的实际情况，综合考虑三维仿真数据建设目标、周期等因素，建议在本次建设中以“重点展示核心区域、有效构建规划区域、
全面覆盖中心城区”为目标，在昌吉市中心城区近F00 km2范围内，实现三级精度三维仿真数据全覆盖。
1)传统人工建模技术建设区域，共计1o km2。该类区域主要覆盖城市总体规划“老城区片（主中心）”和“新城北片区”的主要建成区域，以传统人工精细模型技术要求进行数据建设工作，数据成果满足国家标准1、11级数据精度要求，主要用于展示城市建设现状风貌，是本次数据库建设的核心内容。
2)倾斜摄影自动化建模技术建设区域，共计52 km2。主要覆盖城市总体规划“老城区片” “新城北片区” “创业园片区”和“农业园片区”，采用倾斜摄影自动化模型建设方式进行数据建设工作，便于城市现状三维展示和辅助规划评审。
3)三维地形加体块模型建设区域共计38 km2,主要覆盖城市总体规划中心城区除上述2类模型精度建设区域的其他区域，以三维地形加体块的方式进行数据建设工作，有效补充数据的覆盖范围。
3.3 项目成果展望
在昌吉市三维仿真数据建设完成后，可以构建三维仿真数据库，以三维仿真技术为基础，通过三维仿真辅助决策平台充分展示城市建设现状风貌，运用三维仿真辅助决策平台，以三维方式辅助规划决策。同时也能将上述数据扩展应用于城市管理、城市宣传、招商引资、数字城市建设等相关工作。
4 总结
由上述分析可知，采用传统人工建模技术制作主城区，倾斜摄影自动化建模覆盖周边城区，三维地形补充外围城区的多级精度全覆盖方式构建三维仿真数据库，可以最大化地展示这几种建模的优点，弥补各自的缺点。可以在有限的资金投入下，保证重点展示区域的高精度数据的同时，实现城市总体规划中心城区范围倾斜摄影三维仿真数据全覆盖，并能规避当前倾斜摄影建模技术在近距离浏览三维仿真数据时精度较低等问题，最后还可以降低三维仿真数据的更新投入，丰富三维仿真数据的更新途径，加快三维仿真数据的更新效率。
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（责任编辑 石俊仙）
Comparative Analysis on the Techniques of Manual Modeling and ObliquePhotograph Modeling-Taking 3D Simulation Database Construction of Changji as an Example
ZENG Ya-juan
(Center of Consultation for Planning Project of Changji, Changji 831100 China)
Abstract: The biggest problem of digital city construction is the construction of city 3D simulation database. Based on it, thisarticle proposes two methods, one is traditional manual modeling, the other is oblique photograph automatic modeling. In viewof the requirements of 3D simulation database, it analyses the
characteristics of the two technologies and proposes the organi-zation form of 3D database. It provides references for city 3D modeling.
Key words: GIS; three-dimensional simulation; manual modeling; oblique photograph; database
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