基于倾斜模型城市二三维集成管理研究

摘 要：倾斜摄影技术的发展对于真实多层次城市三维信息的快速获取及加快城市现代化进程具有重要意义。本文通过研究基于倾斜模型的城市全要素二三维一体化集成管理技术，采用二维矢量管理三维场景的技术路线为三维城市管理提出有效的解决方案。

关键词：倾斜摄影测量；单体化；3DML

城市实景三维模型是建设三维城市GIS重要核心内容，按照城市自然和人工要素统一坐标无缝拼接的可视化三维模型[ 1 ]。非接触式测量技术极大丰富城市三维信息的获取来源，但传统非接触式测量技术依然难以满足数字城市三维建模要求。倾斜摄影测量技术突破传统正射影像的局限，采用多视角相机镜头获取多角度影像，通过全自动化后期处理软件快速获取城市实景三维模型。现如今发达国家将倾斜测量技术作为城市数据更新主要手段，应用于国土安全、城市管理、应急指挥等诸多领域[ 2 ]。

一、倾斜模型单体化

倾斜模型由于其全自动化建模机制具有整体性，本质上数字表面模型并投影真实纹理，城市要素无法单独分离使用，因此需要对倾斜模型单体对象化并进一步组织管理。

（一）单体化方法对比

切割单体化是最严格意义上单体化，对倾斜模型根据地物范围进行物理上切割，但切割单体化将破坏倾斜模型数据自带LOD结构且切割边缘具有严重锯齿边缘，在三维场景中极大影响三维渲染性能。单体化的目的是为解决倾斜模型的组织管理问题，动态单体化将二维矢量面数据套合在倾斜模型上，并赋予模型对应的属性字段用于管理组织，保证原始数据结构情况下将二三维一体化管理。

（二）三维网格数据集3DML

3DML数据是通过Skyline CityBuilder充分利用倾斜模型自带LOD结构，添加矢量分类图层至模型上对其进行压缩与流优化，加快客户端加载速度减少内存消耗，有机融合3DMesh图层、分类矢量图层、属性数据进行组织管理。

二、基于DSM建筑物轮廓提取

3DML数据有效实现二三维数据结合，用于单体化的分类矢量图层需进行重新采集，采用人工绘制或现势性较差的现有基础数据势必影响单体化结果。利用倾斜模型本身的DSM结构和等高线为闭合曲线的特点，结合ArcGIS组件工具从中提取闭合等高线并进行筛选，达到快速提取倾斜模型上建筑物轮廓效果。其主要步骤为：

1）DSM提取闭合等高线。从倾斜影像中快速获取DSM高分辨率数据，在ArcGIS中使用Surface Contour工具，以单层楼层高度作为高差值生成闭合等高线；

2）等高线筛选。在提取的等高线中使用Caculate Geometry功能计算长度，设定阈值将过长或过短的等高线剔除，将高程值低于一个楼层高度的等高线进行剔除；

3）建筑物輪廓筛选。经过步骤2筛选的结果仍存在大量重复轮廓线，使用拓扑关系检查重叠的多边形，剔除重叠的面保留最外侧的轮廓线；

4）轮廓线简化。利用ArcEngine开发小程序将轮廓线上接近平行的线段进行节点简化，简化后的结构使用拓扑工具生成轮廓面矢量数据；

5）属性关联。将现有的城市基础地图数据通过Spatial Join工具将与轮廓面重叠的面要素提取属性并赋予至轮廓面图层上；

6）质量检查。检查轮廓面中存在的拓扑错误，属性关联错误等问题。

三、二三维集成管理技术

（一）全要素与二维矢量数据集成

本文使用工具为Skyline CityBuilder软件，将城市倾斜模型通过添加分类图层生成多细节层次优化的三维网格图层数据库。从倾斜模型中提取的建筑物轮廓作为分类矢量图层，CityBuilder并非直接读取OSGB文件，在加载倾斜模型前软件将其进行转换成对应金字塔结构的dea模型。CityBuilder通过读取OSGB文件所在目录，添加倾斜模型元数据xml文件，转换为软件可读取格式。将从倾斜模型中基于DSM提取的建筑物轮廓矢量面作为分类图层加载至场景中，观察并设置其套合情况，最后生成的3DML可直接加载于三维场景中，并可对其分类后的模型进行点击查询统计等二维矢量操作。

（二）城市全要素分层分块组织管理

城市二维矢量数据包含多分类多层次的数据，建筑物轮廓面是最底层的详细数据，进行主要操作的为建筑物轮廓面图层，因此需充分利用梳理各类矢量数据与分类图层之间的逻辑关系达到二维数据管理三维场景效果。

城市所需管理的二维核心数据主要包括地理基础数据、行政区划基础数据、交通路线数据、城建信息数据以及各部门所对应的众多业务数据。依据行政区域编辑作为依据，结合城市分布点将划分粒度划分为三个级别：区县、街道、街坊。区域划分的编码采用行政区划统一编码作为依据，对面状图层要素采用“城市区号+区县代码+街道编码+街坊门牌号”的规则进行统一编码。

将二维矢量数据划分为三个级别，在数据入库管理和加载至三维场景之前，使用拓扑关系检查低级别图层所取区域是否完全包含于高级别的图层的面状要素中。拓扑关系检查完毕，使用ArcGIS工具中Spatial Join功能将高级别图层的区域面要素属性赋予低一级别图层的要素中，使用这种逻辑管理方式可快速在三维场景中调用要素之间的从属关系，将二三维数据作为有机的整体进行统一管理。

四、结语

二维矢量数据套合倾斜模型的方法实现城市实景模型的单体化，为二维管理三维场景集成管理提供解决方案。本文基于倾斜模型提出二维矢量数据管理三维场景的方法，打通二维与三维之间的障碍，提出从DSM中提取等高线的方法对倾斜模型进行轮廓线提取方法，并结合城市特点提出二三维集成管理技术。

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度全面感知复杂场景，系统具备高性能的协同并行处理能力，在新一代城市空间数据基础设施建设中有着巨大的发展潜力[ 3 ]。以面向对象思想分层组织管理的倾斜模型将满足不同领域用户多元化的应用需求，更好得致力于智慧城市的建设。

参考文献：

[1] 赵中元.大城市三维地理信息系统关键技术[D].2011，武汉大学.

[2] 薄正权，张宇.倾斜摄影在长春市城市建模中的应用[J].城市勘测，016（03）：93-96.

作者简介：黄文诚（1992-），男，汉族，福建闽侯人，硕士，研究方向：地图学与地理信息系统。