城市建模的途径与关键技术

来源：小侦探旅游网

2003年6月

世界科技研究与发展　

院士论坛

城市建模的途径与关键技术

国际欧亚科学院院士　张祖勋

张剑清

(武汉大学遥感信息工程学院,武汉430072)

摘　要:数码城市是信息时代发展的必然产物,城市建模是数码城市的重要内容与基础。到目前为止,城市建模虽然已经成为国内外建立数字城市的热点,人们正在通过各种各样的途径进行城市建模,而且已经取得非常重要的进展,甚至已经成为“产品”被应用于实际生产。但是城市建模还有不少关键问题与技术亟待解决。本文将城市建模分为几何建模与纹理映射两大部分,介绍了他们的基本原理与各种方案、存在的问题及其解决的途径。针对不同应用需求的几何建模途径,包括如何充分利用不同的数据,例如LIDAR数据、地图数据、航空、卫星影像、地面影像,实现房屋几何建模的半自动化;房屋墙面纹理影射的半自动化及房屋墙面纹理遮挡分析、数据压缩等。关键词:城市建模　纹理映射　数字摄影测量　三维激光扫描

SolutionsandCoreTechniquesofCityModeling

ZHANGZuxun　ZHANGJianqing

(SchoolofRenoteSensingandInformationEngineer,WuhanUniversity,Wuhan430072)

Abstract:CitymodelingisoneofthecoretechniquesandessentialstepsofrealizingDigitalCity,the

inevitableoutcomeoftheinformationEva.

Nowadays,althoughCityModelinghasbecomethe

hotspotofdigitalcityconceptallovertheworld,andmanypeoplearetryingtorealizecitymodelinginvariousways,buttherearestilllotsoftechniquebottle2necksneedtoberesolved.Tomeettheris2ingrequirements,hereweintroducetheessentialprincipleandsomesolutionofcitymodeling,in2cludingsomebottle2necksandtheirsolutions,suchassemi2automatingofhousemodeling,semi2auto2maticmappingofhousetexture,occlusionanalyzingofhousetexture,compressingofdataetc.

Keywords:citymodeling,texturemapping,digitalphotogrammetry,3Dlaserscanning(Lidar)

1　前言

数字城市是信息时代发展的必然产物。数字城市是将城市的一切要素与人类活动有关的信息进行数字化、存储、管理、应用的综合结果。在城市的规划、设计与管理领域中,在计算机上实现城市景观模

拟,已经获得了广泛的应用。例如美国的费城、英国

的伦敦、加拿大的多伦多、德国的柏林、日本的横滨、澳大利亚的阿特兰等均完成了不同比例尺的城市模拟的开发之研究(邱茂林,2001)。但是对于一个完整的“数模城市”的建立,它是一个非常庞大的、复杂的、长期的系统工程,决不是一个部门、一个学科、一

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个时期所能实现的,我们都应该为之添砖加瓦,把它

视为长期的为之奋斗的目标。

毫无疑问城市建模是数字城市的重要内容与必要步骤。城市建模就像地图与GIS的关系一样,是数字城市的非常重要的基础之一。传统的摄影测量以航空摄影测量为主,主要是用于测绘地图。但是由它获取的影像,其信息远比地图丰富与直观,因而近代发展了影像图的生产与应用;同时摄影测量与地面测量不同,摄影测量能够直接获得房屋屋顶、树林表面的三维坐标,从而为三维地图———城市的三维几何建模奠定了基础。加之计算机与三维可视化技术的迅速发展,使得城市三维建模正在逐步成为现实。

到目前为止,城市建模虽然已经成为国内外建

立数字城市的热点,人们正在通过各种途径进行城市建模,但是我们必须清晰地认识到:城市建模还有不少关键问题与技术亟待解决。解决了这些问题,才能使城市建模获得迅速发展。本文从一个摄影测量与遥感工作者的角度,对有关城市建模(citymod2eling)基本原理、途径、应用、存在的问题及其关键技术进行探讨。

2　城市建模的基本原理与方案

城市建模根据应用的要求,它们差别很大。在建筑界,有的学者依照模拟之需求,如模拟对象、真实性、色彩、材质、模拟细部区分为五级:概念模式、抽象模式、映象模式、拟真模式及全真模式,如图1所示(邱茂林,2001)。

图1　建筑物建模的分类(邱茂林,2001)

　　但是从本质而言,城市建模应该分为几何建模

(geometricalmodeling)与纹理建模(texturemap2ping)两部分组成,它由:①正射影像+DEM构成三维地形表面;②由房屋的几何模型+纹理构成三维建筑物;③以及三维的植被(森林)与其它地物所组成。其中第三部分的纹理一般用虚拟建模来实现,计算机图形学对此已经作出了极大的贡献,它给我们得到了极大的启发。对于第一、二两部分,根据要求、原始资料的不同,进行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,正射影像可以采用TM图像+DEM构成;反之,应采用航空影像+DEM构成。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的结果,不能清晰地反应房屋的墙面纹理,当前解决墙面纹理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

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多(如图2所示),其成本也差别很大。

图2　城市建模的方案

2.1　几何建模

几何建模包括数字地面模型DEM的建立与地

物三维空间数据的提取。DEM可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);也可以由LIDAR数据经编辑直接提取;也可利用已有地图扫描数字化的矢量化等高线、采用等高线保形的DEM内插法生成。在数字城市中,基本上还是采用矩形格网的DEM。

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

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维建模要求不高,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,则房屋的高度可以根据楼层数推算。在获取地物的三维空间数据后,要将它们组成面与体,以便于后续检索与可视化处理。图3所示是利用航空影像进行城市建模的结果;图4是利用已有矢量数据(无航空影像)进行城市建模的结果。

2001,R.Cipollaetc.1999,F.A.vandenHeuvel,1999.P.E.Debevecetc.1996)。图8(a)是美国Berkeley教堂的钟楼的影像,(b)由单张影像实现的

几何重建;(c)加纹理映射后、重建的美国Berkeley教堂的钟楼的空间实体。图9是由12张影像(多张影像)重建的建筑物实体。而且影像可以由非量测像机摄取,多个影像之间也不需要构成传统的立体像对。对于建筑物这样一类特殊的几何实体而言,利用其影像上的灭点就非常容易理解“由单像重建建筑物的模型”的摄影测量原理(张祖勋等,2001)。

图3　基于航空影像的城市建模

图5　LIAR数据的建筑物模型

图4　已有矢量+TM+地面影像城市建模

随着当代科技的的发展,激光扫描为我们直接

重建物体精确的几何模型,提供了自动、快速可靠的工具。目前航空激光扫描系统2LIDAR(LIghtDe2tectionAndRanging)发展很快,例如图5是由LI2DAR获得原始数据所表达的建筑物模型。当前,利用LIDAR获得的DSM数据+IKONOS影像进行城市建模受到广泛的重视,图6是城市LIDAR数据的灰度图像,用灰度表示其高度,它的左图是对应的IKONOS图像。图7就是由LIDAR数据+IKONOS影像+地面摄取的纹理构成的城市建模。目前地面激光扫描系统也发展很快,如Leica的Cyrax,测量距离为100米,量测精度达2毫米,其速度每秒可达1000个点。但是无论是航空还是地面激光扫描系统,其价格均十分昂贵。

当前,在摄影测量界、计算机图形学界对于利用“单、多张影像”进行建筑物的三维重建的理论与实际非常重视,并且正在获得迅速发展(张祖勋等,

图6　LIDAR数据与对应的IKONOS图像

图7　激光扫描数据+IKONOS影像+地面影像城市建模(引自Space)

由上可知:建筑物的几何建模在近年内获得了很大的发展,方案、途径很多,有不少方法已经在建立数码城市获得了很好的应用(摄影测量仍是其最主要的方法),同时还有不少问题需要解决。

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3　城市建模的中所存在的问题

如上所述,城市建模的途径很多,在技术上似乎

也不复杂,也很容易实现,但是事实则不然。目前城市建模的问题还很多,我们可以简单地归纳为: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。

3.1　几何建模

房屋(特别是屋顶)建模的自动化(即使是半自动化)问题还远没有解决。目前有些发达国家已经采用航空激光扫描(LIDAR)资料来重建“三维城市”—可以直接建立城市三维的数字表面模型(DSM),其平面点位密度可以达到1m(甚至更密),高程精度可以达到20cm(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,已及提取其它信息(如树林),其问题还是非常复杂,远没有解决。由单、多像建模的问题有:(1)

图9　有12张影像重建的建筑物(P.E.Debevecetc.1996)

图8　由单像重建建筑物(P.E.Debevecetc.1996)

影像不易获取,例如上述的美国Berkeley教堂的钟楼的影像,是在高出于地面250英尺处摄取的。因为利用单、多像建模,对影像的获取有一定的要求,其最佳摄影方向是从空中对一个“立方体”的45°方向进行摄影。(2)虽然他们已经引用了“直线匹配”技术,但是人工的工作量还很大“智能化”,程度低,效率不高。

3.2　纹理建模(texturemapping)墙面的纹理的重建,多数采用在地面上针对墙面进行摄影—在此我们将它称为“基于墙面的摄影”,然后进行人工的纹理映射。这不仅效率低,而且在实地对建筑物进行摄影也是一个十分困难的问

2.2　纹理建模

纹理建模就是将影像上的纹理“映射”到经过几何建模所获得的空间实体上,所以又称为纹理映射。地面的纹理主要是来自利用航空影像制作的正射影像,图3的地面纹理即取自航空影像制作的正射影像。当地面的纹理要求不高时,可采用精纠正甚至一般纠正的卫星影像(如TM、SPOT及IKONOS图像等),图4的地面纹理主要取自纠正的TM影像。

对于小的区域,也可以采用地面摄取的影像。建筑物屋顶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、题:摄影机到建筑物的距离限制,难以获得墙面地还是卫星影像均是由空中对地观测,不能清晰地反“全景”,遮挡非常严重,效率低下。例如图10所示,应房屋的墙面纹理,当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。图3中的房顶纹理与部分墙面纹理取自航空影像,但大部分墙面纹理取自地面影像;图4中所有的墙面纹理均取自地面影像。

城市建模的目的不是仅仅为了浏览(walkthoughorflythrough),它主要是建立数字城市的基础,因此城市建模的结果必须与已有的GIS系统相连接,赋予其查询、分析功能。

图10　场景不全与遮挡

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由这样的影像上获得的纹理(墙面不全,而且有遮挡),还达不到上述的“映象模型”的要求。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　数据管理与数据压缩数码城市不仅仅包括大量的矢量信息,特别是有大量的纹理信息,而且纹理信息又以“三角网”的形式进行“映射”,因此“数据管理”对于数字城市的运行速度有着密切的关系。另外,数据压缩在数字城市中有着极其重要的意义。虽然数据压缩方法很多,但是,数字城市的数据压缩有其特殊性。例如,屋顶的纹理基本一致;房屋的墙面纹理具有大量的重复性,如何考虑其特点进行数字城市的数据压缩,具有重要的意义。

物”的专题国际讨论会,但是在这方面的进展并不理想。可是,增加信息以提高屋顶提取的自动化程度、无疑是一致的看法。

增加航空摄影的旁向重叠度达到60%,因而任何一个房屋的屋顶均可由四个影像上提取(multiviewing),信息量比传统的增加一倍。它比仅仅由两个重叠的影像提取信息可靠得多、稳定得多、自动化程度也可能会高得多。如图11所示,就是在四度重叠的影像上观测房屋。

4　解决城市建模问题的途径

由于城市建模还没有考虑建立“标准化”,目前用于城市建模的方法与建立整个数码城市的一个可操作的系统相距甚远,对于结果也没有一个统一的验收标准,问题必然很多。当然这不是一个学科、一篇文章能讨论透彻。本文主要从摄影测量、数据处理的角度讨论几个问题,包括房屋几何建模的半自动化、房屋墙面纹理影射的半自动化及房屋墙面纹理遮挡分析与数据压缩。

4.1　房屋几何建模的半自动化数字摄影测量研究与发展,至今已有二、三十年历史,1988年ISPRS的京都大会首次展出数字摄影测量工作站。影像匹配等理论与实践的发展,对摄影测量的自动化与半自动化起到了非常关键的作用。特别是影像定向的自动化、空中三角测量的自动化、DEM与正射影像生成的自动化等,极大地推动了数字摄影测量的实用化进程。但是影像理解的研究远不能达到“地物提取”自动化(即使是半自动化)的要求。房屋的三维几何重建,其困难是在于“屋顶”的三维重建。随着城市建模需求量的急剧增加,目前在欧洲(由于其屋顶十分复杂),屋顶采用人工量测,有的算法与软件能将人工随机量测(不考虑量测顺序,减轻劳动强度、提高效率)的屋顶点,组成屋顶的“规则面”,并进行必要的编辑。

关于直接在立体航空影像上,进行自动或半自动的提取屋顶数据,无论是计算机界还是摄影测量界都进行了大量的研究,从1995年起至今已经召开了三次关于“从航空与航天影像自动提取人工建筑

图12　基于物方最小二乘匹配结果图11　四度重叠建筑物的影像

另外,在目前仅仅利用一个立体像对进行立体

测图的情况下,半自动(在计算机协助下)提取“屋顶”结构是一个应能尽快实现的途径。在我们的研究中采用了“基于物方空间模型”,同时还加入了相应的限制条件:垂直条件、对称条件、同高条件等,将房屋提取归纳为“带条件的间接观测平差”模型,并应用最小二乘特征匹配,从而极大的提高了提高结果的精度与可靠性(Z.Zhang,2001),如图12所示。

412　多墙面、多建筑物纹理影射的半自动化

随着数字相机与数字摄象机的广泛应用,目前房屋墙面“纹理映射”的实现,一般是由人工在数字影像上将建作物的几何模型的“墙面”与针对该墙面

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进行摄影影像“墙面”对应起来,在影像上点四个点

进行“一个、一个”墙面纹理映射。按此办法,工作量大,也无法实现房屋墙面纹理映射的半自动化。

由于单像建立房屋模型,它打破了传统的“立体测图”习惯,同时它又符合“摄影测量”的理论,从而到了迅速发展。传统的前方交会确定物体模型是基于立体像对,但是根据透视理论。利用建筑物的单张影像,也能够解得影像的内、外方位元素,重建房屋在空间的三维模型。它为多墙面、多建筑物墙面的半自动映射开辟了新的可能性。

该算法是将“几何建模”与“墙面纹理映射”结合起来,将墙面纹理映射隐含于几何建模之中。如图8所示,就是典型的“多墙面”纹理半自动映射。

众所周知,二维地形图是建立数码城市的基础,这意味着地图是已知的,因此,完全有可能实现多建筑物纹理影射的半自动化。如图13示例,图左是地图,图右是相应的影像。首先在影像上对应于房屋2“拉”一个立方体,用于将确定影像的内、外方位元素的初值。然后将房屋的结构的“细部”以及其他的房屋投影到影像上,再将空间房屋在影像上投影的“线段”与影像上房屋的“边缘”,在人工的引导下进行“配准”,就能完成多建筑物的建模、各墙面与影像上相应纹理的精确对应,实现多建筑物、多墙面的纹理映射,如图13右图所示。

具有大量可压缩的可能性。如图15所示的经压缩的墙面,其压缩的比可达到73倍。

图14　遮挡纹理图像的恢复

图15　墙面纹理图像压缩

5　结论

数字城市是将城市与人类活动有关的信息进行

数字化、存储、管理、应用的综合结果。它是一个非常庞大的、复杂的、长期的系统工程,它需要多部门、多学科之间的长期的合作才能逐步实现的,我们应把它作为长期奋斗的目标。

城市建模是数字城市的基础,它无论在理论上、技术上均刚刚开始,还有待逐步完善。城市建模的原始资料、方案、途径很多,其成本也差别很大。城市建模还有不少关键问题与技术“亟待解决”。其中城市建模的标准、规范将尤为重要。房屋几何建模的半自动化、房屋墙面纹理影射的半自动化及房屋

图13　半自动纹理建模

墙面纹理遮挡分析、数据压缩等,也都是急需解决的问题。解决了这些问题,才能使城市建模获得迅速发展。在解决现存问题的同时,也要注意到新一代传感器的发展与应用,以及新思路与新方法的研究成果。

其中“单、多像建模”的理论正在日趋完善,其问题的焦点是影像的获取方式。最佳的方式是利用“直升飞机”由空中进行倾斜摄影,获取墙面纹理,以替代的面摄影方式,这将为城市建模跨出的关键一步。

4.3　房屋墙面纹理遮挡分析、数据压缩

摄影过程中“近景遮挡远景”是一个永远不可避免的事实,因此墙面纹理的获取、映射如何避开遮挡

在墙面前面的物体(如树、电线杆、行人、车辆等等)的影像,就成为城市建模中的重要问题。如图14所示,其左边是房屋的一个具有遮挡的墙面影像,目前,一般利用photoshop进行人工处理,去掉遮挡,不仅效率极低,而且质量差。但是墙面纹理具有大量的重复(如窗户)的“图案”所组成,因此对于墙面纹理进行“影像分析”,通过提取墙面的基本纹理—窗户,并重复其纹理,即能消除墙面的遮挡,如图14(b)所示。考虑到墙面纹理重复的特征,它说明其中

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参考文献

[1]张祖勋,张剑清,胡翔云.建筑物半自动提取———基于物方空间几

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量应用研讨会论文集

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何约束的最小二乘匹配方法,第三届两岸测绘发展研讨论文集.

2000,12

[2]ZuxunZhang,JianqingZhang:3DreconstructionandVisualizationofHouseinCreatingDigitalCity,ProcedingsofASIAGIS2001—CollaborationthroughGISintheInternetEra,2001,20～22.Tokyo

[3]Z.Zhang,J.Zhang&X.Hu:Semi2AutomaticBuildingExtractionfromStereoImagePairs,AutomaticExtractionofMan2MadeOb2jectsFromAerialandSpaceImage(III)A.A.BALKEMAPUB2LISHERS.2001,115～124

[4]邱茂林.三维都市模型在都市设计与景观视觉模拟之应用探讨—

[6]R.Cipolla,D.P.RobertsonandE.G.Boyer.:Photobuilder23D

modelsofarchitecturalscenesfromuncalibratedimages.InProc.IEEEInternationalConferenceonMultimediaComputingandSys2tems,Firenze,volumeI,1999,25～31

[7]P.E.Debevec,C.J-.Taylor,andJ,Malik:ModelingandRenderingArchitecturefromPhotographs:AHybridGeometry2andImage2BasedApproach,InACMComputerGraphics(ProceedingsSIG2GRAPH),1996,11～20

[8]F.A.vandenHeuvel,1999.ALine2photogrammetricmathematical

modelforthereconstructionofpolyhedralobjects.inVideometricsVI,SabryF.El2Hakim(ed.),ProceedingsofSPIEVol.3641,ISBN0281942311225,60～71

以台南市为例,海峡两岸数字工程测量应用研讨会论文集

[5]张祖勋,张剑清.单像房屋三维重建,2001海峡两岸数字工程测

作者简介

张祖勋(ZHANGZuxun),武汉大学教授,博士生导师,国际欧亚科学院院士。主要从事摄影测量与遥感、计算机图形学、计算机视觉方面的研究工作。

(责任编辑:房俊民)

国外新闻

俄科学家获国际宇宙学最高奖项

年成为俄科学院空间研究所首席科学家。

1996年起,他同时担任德国马克斯-普朗克学会天体物

　　国际天文学联合会决定将2003年度格鲁伯基金宇宙学奖授予俄科学院院士拉希德・休尼亚耶夫,以表彰他在研究宇宙微波背景辐射及其与周围物质相互作用的方面所作出的“开创性贡献”。

格鲁伯基金宇宙学奖由格鲁伯基金会和国际天文学联合会共同设立,奖励在宇宙学领域有杰出贡献的科学家。它被认为是宇宙学领域最重要的国际奖项之一,此前有3名美国科学家和1名英国科学家获此殊荣。今年的奖项将于7月15日在澳大利亚悉尼举行的国际天文学联合会第25届大会开幕式上颁发。

休尼亚耶夫1943年生在原苏联乌兹别克苏维埃社会主义共和国,就读于莫斯科理工学院和国立莫斯科大学,1992

理研究所主任。他的主要研究方向是理论天体物理学、X射线天文学、宇宙学和高能天体物理学。

在研究早期,休尼亚耶夫主攻大爆炸产生的宇宙微波背景辐射,他与导师雅科夫・泽丽多维奇合作发表的论文在世界上首次描述了辐射在经过炽热气体时的冷却过程,这一过程后来被称为“休尼亚耶夫-泽丽多维奇效应”,这种效应现在已成为测量天体间绝对距离的重要手段;20世纪70年代休尼亚耶夫与人合作发表论文,建立了现在银河系基本粒子现象研究的理论基础;他还领导建立了“量子”X射线天文台和“格拉纳”X射线轨道天文台。(新华社供本刊稿)

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