数字摄影测量与虚拟城市建设

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1、数字摄影测量与虚拟城市建设Digital Photogrammetric System And Cybercity Construction摘要 本文探讨了数字城市基础地理信息的内容及获取途径，以及数字摄影测量在虚拟城市建设中的作用。以南京市玄武湖地区为研究区域，利用数字摄影测量系统，获取城市基础地理信息，结合GIS、虚拟现实、仿真等系统软件，探索建立虚拟城市的方法。关键词 数字摄影测量；虚拟城市；国家空间数据基础设施Abstract This paper discusses the content of the basic geographic information of Cybercit

2、y and the obtaining methods of them. It also discusses the function of Digital Photogrammetric System in the process of Cybercity construction. We took XuanWuLake region in Nanjing city as a study area to obtain the basic geographic information by Digital Photogrammetric System and pursue a method t

3、o construct Cybercity by some software such as GIS,VR and simulation etc. Keywords Digital Photogrammetric System，Cybercity， National Spatial Data Infrastructure1引言数字城市，又称网络城市，或智能城市，更确切地说是信息城市。它是指综合运用计算机数字化手段（GIS、遥感、遥测、网络、多媒体及虚拟仿真等技术）对城市的基础设施、功能机制进行全方位的数字采集和处理，具有城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等复杂系统的数字化、网络化、优化

4、决策的强大功能，用于重大决策的效果预演和对未来发展预测的技术系统1。数字城市可以理解为是数字地球的一个重要组成部分和重要支撑手段之一。中国科技部官员认为，数字城市符合中国目前工业化和信息化并行的经济生活现状，在中国城市现代化建设中具有重要意义。利用信息技术来进行城市规划、建设、管理、服务，是高新技术和传统产业相结合、拉动经济的新增长点。 我们可以将数字城市的关键技术概括为如下三个方面：基础空间信息的获取和建库、城市地理信息系统的建立以及海量信息的传输技术。其中基础空间信息的获取和建库工作，是建立数字城市的基础。空间信息是指与空间和地理分布有关的信息，经统计，地理空间信息占世界总信息量的80%，

5、它是区域经济、资源、环境、人口和社会可持续发展决策的重要基础信息，是国民经济信息系统和国家信息基础设施的重要组成部分。2城市基础地理信息的内容及获取途径空间信息技术与空间数据基础设施是数字地球的技术基础之一，国家空间数据基础设施（NSDI）是协调基础地理空间数据集的收集、管理、分发和共享的基础设施。空间信息基础设施的主要内容包括空间信息的获取、空间信息框架、空间信息的集成、融合以及互操作等。空间信息框架结构见图1，空间信息框架的数据模型见图22。 专题数据土壤、植被、水资源、能源、生态环境、公用设施、人口矿产资源、社会经济基础数据大地测量、行政单元、交通、水文、高程、正射影像、土地地籍数据模型

6、图2 空间信息框架模型从上图可以看出，空间信息基础设施的核心是数据和基于数据的服务。城市基础空间信息主要包括空间数据基准，如城市控制网的覆盖面积及包括的范围、等级控制点的数量及满足需求状况等；数字线划矢量图形（DLG，包括交通、水文、境界等）；数字高程模型（DEM）；数字正射影像图（DOM）；城市真实三维结构模型等。传统的测绘学科研究如何获取基础空间信息，即通过大地测量、摄影测量和地图制图的工序，获取各种类型的地图和数据。根据最近建设部对全国部分城市调查显示，当前我国城市空间数据具有如下特点：比例尺大，分辨率高；内容丰富，信息传输效率低；信息老化速度快；数据生产与更新的周期长、费用高；各城市多

7、使用独立的平面参考系统，造成不同城市的数据参考基准不一致；数据种类单调，现势性差，可用性低；数据生产和提供的现状仍然不能满足应用的需求，数据依然是GIS和其它相关系统建立与服务的瓶颈等3。以上情况的出现与政策、法规、管理、地区等密切相关，但与获取数据的手段也有着不可分割的联系。基础空间信息的生产，是建立数字城市的前提和制约因素。这是一项投资巨大，技术要求十分复杂的工程，不仅成果精度要求高，而且信息的内容包含广泛。传统的模拟测图系统和解析测图系统，已经无法满足上述综合性的基础空间信息生产的要求，数字摄影测量系统，是继模拟测图系统和解析测图系统之后，第三代全新的高度自动化的摄影测量系统。它可以针对

8、不同用户的多种需求提供相应解决方案。3数字摄影测量在数字城市建设中的作用31 测绘数字线划矢量图（DLG）数字线划矢量图是城市基本图件的最主要形式，是建立各种地理信息系统的基础信息，也是进行规划、设计、管理等的基础。各城市使用的基本地形图比例尺主要有1:500、1:1000、1:2000、1:5000和1:10000等5种，数字摄影测量系统可以测绘各种相应比例尺的数字线划图。利用数字摄影测量系统提供的自动空中三角测量在内的整体解决方案、影像匹配技术以及多种高效、实用的测图模式，可大大提高作业效率。 32 建立数字高程模型（DEM）数字高程模型。是建立数字城市的基础信息之一，是赖以构建城市三维景

9、观和进行各种工程设计的基础信息。目前我国仅有约1/8的城市建立了一定范围的DEM，使用的格网尺寸为5-25m，格网点高程精度为0.25-1.2m。数字摄影测量系统具有自动大规模生产DEM、自动生成等高线等功能，可提高生成等高线的效率。33 建立数字正射影像图（DOM） 数字正射影像图，是根据数字高程模型对中心投影的航摄影像进行纠正处理、消除了投影差的垂直投影的影像地图。由于它包含地表的各种原始信息，而且通过纠正处理，比例尺和相关位置是准确的，可用于城市规划、环境保护、资源调查、灾害防治以及军事等多种领域。据统计资料显示，我国城市数字正射影像图相对于线划图无论是数量还是种类均少得多，覆盖范围也很

10、有限。所用片种包括黑白、彩红外和真彩色三种，主要用途是城市规划、土地调查和更新地形图。目前，数字正射影像图在世界范围受到了广泛的重视，特别是随着1米分辨率卫星影像投入使用，以及影像识别和单像特征提取技术的进展，将会得到越来越广泛的应用。数字摄影测量系统可以进行正射影像纠正和镶嵌、影像修补、任意影像的无缝镶嵌，此外将数字正射影像图与数字高程模型叠加，可生成城市的三维景观，如电子沙盘等。34 建立城市真实三维景观模型城市真实三维景观模型是根据建筑物的实际三维地理坐标，构建真实的城市三维景观模型。城市真实三维景观模型可根据大比例尺航摄影像通过数字摄影测量方法，精确测得结构物的空间三维坐标，由软件自动

11、生成建筑物的结构模型并贴上相应的纹理建成4。35 其它数字摄影测量系统及其相关产品还可以提取建筑物的纹理、建立纹理库；进行三维几何重建以及建立城市的三维景观动画等，数字近景摄影测量在特大比例尺线划图和影像图的生产、考古、医学中发挥作用。4实例41 研究区域选取玄武湖地区是古城南京的一个窗口。南京素有虎踞龙蟠之称，而玄武湖则恰似龙睛。其四周为南京的四条主干道，北抵南京火车站，东临紫金山，在她的南面，紧临的是千年古刹鸡鸣寺。玄武湖周围，既有记载南京历史的古城墙，又有反映现代文明的邮政和电信大楼。紧邻玄武湖，新建了一批新型住宅小区，使居住在此的人们远离都市的喧嚣。玄武湖及其周边地区集中体现了山水城林

12、的城市特点，集旅游、商业、交通和居住等于一身，从很多侧面反映了南京这一历史名城的特色。因此我们选择玄武湖地区作为数字城市建设的研究区域，在计算机系统中重现这一区域的景观，使得我们可以徜徉和漫游其中，对于我们所生活的城市的现状，有更清晰的认识，对于城市未来的发展规划及旅游等，有更明确的目标。 42 软硬件环境（1）软件平台操作系统平台：Irix 6.5 for SGI unix、Microsoft Windows NT 4.0或Windows 2000；虚拟现实系统平台：MultiGen、Vega；全数字摄影测量系统平台：VirtuoZo；地理信息系统平台：ARC/INFO、Imagis等；遥感

13、数字图像处理平台：ENVI、ER-Mapper；系统集成环境：VC+ 6.0、C+ builder、Delphi（2）系统硬件要求SGI Octane工作站：两台，2 CPU 175MHZ，硬盘50GB（SCSI接口），内存128M，纹理内存4M，网卡100M以太网；其他硬件设备：Intergraph NT图形工作站，多台PC，IBM服务器，多种数据采集、输入、输出设备，全球定位系统等；43 数据处理431 数据采集（1）数据的来源原始资料：玄武湖地区大比例尺彩红外航摄象片（共10条航带，计153张航片，航摄比例尺1:2500，1995年航拍）；相机检校参数文件；地面控制点刺点像片；地面控制点

14、文件；玄武湖地区1：500电子地图（DWG格式）。元数据资料：包括航摄比例尺分母；航高；航摄仪主距；航摄单位；航摄日期；航片数；航片编号；高斯-克吕格投影带号；分带方式；中央子午线和标准纬线等。（2）数据的获取将航摄负片经扫描数字化，然后将扫描得到的数字化图像转成数字摄影测量软件VirtuoZo的图像格式。在其中进行数据采集工作，建立起玄武湖地区的数字高程模型DEM，获得正射影像图并测得这一地区的建筑模型数据以及道路、湖泊等属性数据。利用数字摄影测量解决大面积水域的数据采集存在着一些技术问题，如航带之间像片不连续，控制点不足等。这些都会对数据精度产生很大的影响，甚至会造成平差结果发散，使得程序

15、无法运行下去。玄武湖地区大部分为水域，而且湖中还有樱洲、梁洲等陆地地块对水域进行分割，地形比较破碎。而提供的控制点刺点像片只有四条航带。控制点数目不足，分布不均，这些更加重了数据处理的难度。为了解决这一问题，我们采用了如下方法： 分区域测量的方法，根据玄武湖地区的地形特点，将玄武湖10条航带分成两部分分别进行测量，然后将测量得到的两部分数据整合成一块完整的区域；控制点加密，利用南京市1：500电子地图，从中选择特征点数据，作为对控制点数据的补充读入数字摄影测量系统中，使得空三量测结果达到了规定的要求，弥补了精度的不足，从而解决了大比例尺大面积水域数字摄影测量的一些技术问题。 地面特征点预测，在

16、进行影像匹配之前，由于玄武湖地区分布着大片水域，周边建筑密集且植被茂密，这些都会造成影像匹配效果差，直接影响到DEM 的精度。为此，在影像匹配之前，先对其进行了预处理，以获得更好的匹配结果。主要方法是在玄武湖地区的立体模型上，测得一些特征点、线和面，利用它们构筑不规则三角网TIN，使之与地形很好的吻合，以此提高影像匹配的精度。利用数字摄影测量系统进行数据采集的流程框图如图3所示。图3 数字摄影测量系统功能框图432 数据处理数字摄影测量系统采集所得到的数据还无法直接进入虚拟现实建模软件MultiGen中进行建模，必须经过GIS数据互操作，转换成VR软件所需的数据格式。为了将DEM及特征文化数据

17、转换为MultiGen格式，利用互操作技术进行转换。采用了直接转换的方式，分别对DEM格网数据和测图矢量数据进行了系统之间的转换，从而成功实现了异构系统间的数据互操作，将测量数据转换为创建数字虚拟城市所需的数据格式，即数字高程模型数据DED、数字文化数据DFD。44 仿真建模将转成MultiGen内部格式的地形数据DED，输入MultiGen中，选择合适的算法建立起三维地表模型。将玄武湖地区的正射影像图作为地表纹理，以Geo-specific纹理映射的方式映射到地形表面，形成玄武湖地区的真实的三维地貌景观。将转成MultiGen内部格式的文化（属性）数据，如道路，湖泊,建筑物等，按照不同的地物

18、属性分层输入MultiGen，选择或重新建立对应的特征码（FeatureID）和表面材质码SMC（Surface Material Code）。在经过三维建模和模型数据库融合后，即得到了玄武湖地区的仿真模型，如图4所示。图4 玄武湖地区仿真模型45 虚拟环境生成所得到的玄武湖地区的仿真模型，进入到视景仿真软件Vega中，设置观察者、定义通道、设定环境等参数，在配置合适的驱动环境后，可以设置显示方式为头盔或立体眼镜；设置输入方式为鼠标或操纵杆；在虚拟场景中加入汽车等移动物体。在计算机系统中建立起了对真实世界进行仿真模拟的虚拟环境驱动。利用头盔（或立体镜）、操纵杆（三维鼠标），我们就可以沉浸于这个

19、虚拟现实的城市环境中，漫游其中并且与虚拟环境进行交互操作5。5结论与展望数字城市的建立，正如雨后春笋，在全国已经形成一个势不可挡的浪潮。这是一个非常喜人和令人振奋的征兆，表明我国的IT产业正在蓬勃兴起，朝着世界先进水平迈进。本文着重探讨了数字摄影测量系统在数字城市基础地理信息的获取和建库方面的作用。笔者认为以下几方面的研究也有助于基础地理信息的获取和建库。（1）空间测图方面：随着航天遥感技术的飞速发展，由航天飞机和各种大、中、小卫星系统提供的空间遥感图像大量增加，这些遥感图像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率在不断提高，正在成为全球地图生产所依赖的重要数据源，为此国际测图业正经历着技术和管理

20、模式的快速转变6。目前对传感器、卫星系统以及测图技术等方面的研究方兴未艾。（2）三维可视化城市景观的集成数据库研究：数字地球、数字城市，需要我们建立一个三维的、动态的、可视化的景观。我们必须建立一个无缝的集成数据库，这个数据库能管理矢量数据、数字高程模型、地表影像、GPS数据以及遥感数据等。（3）数据互操作：研究全数字摄影测量系统、GIS与 VR的互操作以及基于国家空间数据转换标准（CNSDTF）的数据互操作体系的研究。参考文献：1 陈干，闾国年，刘晓艳，沈婕. 数字城市与虚拟城市关系研究. 江苏城市规划，2000, （4）：30-34.2 承继成，李琦，易善桢. 数字地球与国家空间信息基础设

21、施. 北京：清华大学出版社，1999. 16-31.3 王丹. 我国城市空间数据和GIS应用的现状与前景. 工程勘察，2001，（1）.4 胡志贵. 数字摄影测量系统-基础空间信息生产的解决方案. 中国GIS工程与应用通讯，2001，（1）：44-46.5 刘晓艳. 虚拟城市建方法研究. 硕士论文. 南京：南京师范大学地理科学学院，2001.6 李德仁，周月琴. 空间测图：现状与未来. 测绘通报，2000，（1）：3-7.作者简介:沈婕：1969年11月生，女，汉族，江苏淮阴人，硕士，讲师，南京师范大学地理科学学院地理信息系统系副主任，江苏省测绘学会遥感与航测分会委员。研究方向为地理信息系统、摄影测量与遥感。