第三章 城市地理信息系统的技术与方法（第5讲） 城市三维空间信息的获取方法 第三章 城市地理信息系统的技术与方法（第5讲） 城市三维空间信息的获取方法 2.5.1 城市三维空间信息的内容 2.5.2 城市三维空间信息获取 2.5.3 野外数据采集 2.5.4 地图数字化 2.5.5 全数字摄影测量系统 2.5.6 激光扫描测量系统 2.5.7 合成孔径雷达 2.5.8 近景摄影测量方法 2.5.9 多数据源集成

2.5.1 城市三维空间信息的内容 数字线划数据 影像数据 数字高程模型 地物的属性数据

2.5.1 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。 2.5.1 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

2.5.1 城市三维空间信息的内容 信息类型 信息形式 需要比例尺 三维地形 数字高程模型 1：500～1000 三维建筑 地形图 地表纹理 2.5.1 城市三维空间信息的内容 信息类型 信息形式 需要比例尺 三维地形 数字高程模型 1：500～1000 三维建筑 地形图 地表纹理 数字正射影像图 1：500～4000

2.5.2 城市三维空间信息获取 DEM数据获取 建筑物高度数据获取 三维对象几何要素数据获取 纹理数据获取

2.5.2 城市三维空间信息获取 DEM数据获取 （1）直接使用2D GIS中的DEM。 2.5.2 城市三维空间信息获取 DEM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。

2.5.2 城市三维空间信息获取 二. 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。 2.5.2 城市三维空间信息获取 二. 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。

2.5.2 城市三维空间信息获取 三. 三维对象几何要素数据获取 2.5.2 城市三维空间信息获取 三. 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。

2.5.2 城市三维空间信息获取 三. 三维对象几何要素数据获取 2.5.2 城市三维空间信息获取 三. 三维对象几何要素数据获取 （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。 （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。

2.5.2 城市三维空间信息获取 四. 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。 2.5.2 城市三维空间信息获取 四. 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。 （4）由空中影像获取。这种方法主要用来获取地面影像。

2.5.3 野外数据采集 全站仪测量 GPS测量

2.5.3 野外数据采集 全站仪测量 Win-全站仪NTS-202W/205W 全站仪是电子经纬仪和激光测距仪的集成，它可以同时测量空间目标的距离和方位数据，并且进一步得到它的大地坐标数据

2.5.3 野外数据采集 全站仪测量 全站仪 电子手簿 坐标数据 计算机 编辑处理 空间数据 2.5.3 野外数据采集 全站仪测量 室内 野外 全站仪 电子手簿 坐标数据 计算机 编辑处理 空间数据 空间数据编辑处理和成图的两种模式：一种是利用AutoCAD图形软件进行图形的处理和制图，另一种是自行编制数字制图软件进行空间数据处理和制图。

2.5.3 野外数据采集 全站仪测量 电子平板仪的测量示意图 电子平板：将便携机直接与全站仪相连，测量的结果直接显示在屏幕上。在野外直接进行空间目标的图形连接和编辑处理，然后进行符号化、注记与制图。

2.5.3 野外数据采集 GPS测量 GPS由三大部分组成：GPS卫星（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分） 2.5.3 野外数据采集 GPS测量 GPS由三大部分组成：GPS卫星（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分） 虚拟城市建设所要解决的问题之一，是采集、存储、管理及应用空间数据，而GPS正具有提供空间数据的功能，可以实时、快速的提供地物目标的空间位置。

7—3 野外数据采集 GPS测量 GPS由24颗卫星构成，其中有3颗备用卫星，这就是21+3模式，他们分布在6条轨道面上，在距离地面大约20183KM轨道高度上以每日绕地两周运行着。6条轨道按轨道面夹角60°间距分开。每条轨道与赤道面的交角为55°，轨道形状近似圆形，每条轨道上有4颗卫星 GPS卫星轨道分布

2.5.3 野外数据采集 GPS测量 GPS地面监控站分布网络 GPS控制系统包括监控站、上行注入和主控站，均设在美国国内，主控站设在美国本土科罗拉多·斯本士（Colorado Springs）的联合执行中心CSOC；三个注入站分别设在印度洋美军基地狄哥·伽西亚（DIgeo Carcia）、大西洋美军基地阿松森（Asencion）和太平洋美军基地卡瓦加兰（Kwajalein），此外还在夏威夷设有监测站

2.5.3 野外数据采集 GPS测量 Z Y X GPS测量的原理 如果接收机能够同时接收4颗以上的卫星信号，如右图所示。根据三维空间后方交会原理，由卫星的位置和接收机与卫星的距离，即可以计算出GPS接收机天线所在位置的三维地心坐标

2.5.4 地图数字化 手扶跟踪数字化 地图扫描矢量化

2.5.4 地图数字化 扫描数字化

2.5.4 地图数字化 扫描数字化 地图扫描数字化可以有两种方式：自动（半自动）矢量化和交互式矢量化。 2.5.4 地图数字化 扫描数字化 地图扫描数字化可以有两种方式：自动（半自动）矢量化和交互式矢量化。 自动（半自动）矢量化：一般先将灰度影像变换成二值影像，二值影像自动（半自动）矢量化的方法有多种，一般包括细化、断线连接、去毛刺、矢量跟踪等。 交互式矢量化：采用人机交互的方式，对地图上的每个图形实体逐条线划进行矢量跟踪。当线划的状态较好时，计算机自动跟踪，到不能跟踪的位置停止，然后人机交互，再继续往前跟踪。

2.5.4 地图数字化 扫描数字化 （1）点坐标数据+高程数据：用于构造树木、路牌、旗杆、路灯等呈点状分布的模型。 2.5.4 地图数字化 扫描数字化 （1）点坐标数据+高程数据：用于构造树木、路牌、旗杆、路灯等呈点状分布的模型。 （2）折线坐标数据+高程数据：用于构造栅栏、宣传栏等呈线状分布的模型。 （3）平面多边形数据+高程数据：普遍适用于地面、房屋、草坪、道路等模型的建立。 （4）三角串数据+高程数据：用于构造较为复杂的模型。利用这种数据可以构造河堤岸（高程不同）和体育场跑道（高程相同）等模型。

2.5.5 全数字摄影测量系统 数字高程模型（DEM） 正射影像（DOM） 数字栅格图（DRG） 数字线划图（DLG）

2.5.6 激光扫描测量系统 高精度激光扫描仪（如Airborne Scanner、Laser Façade Scanner）能够获取物体表面高解析度的数字距离影像，影像中包含被扫描物体大量的球面坐标信息，这些坐标可转换到笛卡尔坐标系中，并进一步作用于有关的三维应用。 将GPS、惯性导航系统（INS）和扫描激光测距仪进行集成，则组成机载激光扫描制图系统（Airborne Scanning Laser Mapping System），可进行大范围数字地表模型（Digital Surface Model，DSM）的高精度实时获取。

机载激光扫描技术 GPS INS 地形表面 激光测距—成像光谱像元匹配点 三维成像仪的原理示意图 AL-Hi

机载激光扫描技术——工作原理 GPS能测得三维成像仪在空中的精确三维位置，姿态测量装置能测出它的姿态参数，扫描激光测距仪可以精确测定成像中心到地面激光采样点的距离，根据几何原理就可以计算出地面激光采样点的三维位置。

机载激光扫描技术——工作原理 扫描成像仪同步获取地面的扫描图像，而且扫描成像仪和扫描激光测距仪在硬件上共用一套扫描光学系统而组成扫描激光测距—成像组合传感器（AL-Hi），从而保证地面的激光点和图像上的某些像元点严格匹配，即在获取地面点的图像同时还获取该点到成像仪的激光距离值。在后续处理中，激光采样点作为控制点就可以生成DSM，也可以纠正同步获取的遥感图像。

机载激光扫描技术 DEM+CCD影象

机载激光测量的应用实例 城市地理信息数据获取

机载激光测量的优点 与传统的摄影测量作业相比，它无需地面控制点，可部分穿越树林遮挡直接获取地表的高精度三维信息； 对天气的要求不高，甚至夜间也可以飞行作业，其获取DSM的成本仅为摄影测量的25%-33%。 为空间信息的获取提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度、速度

2.5.7 合成孔径雷达（SAR） 合成孔径雷达（Sythetic Aperture Radar，SAR）是一种全天时、全天候的微波成像雷达，不仅可以详细的、较准确的观测地形、地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表和自然植被收集地表下面的信息。

2.5.7 合成孔径雷达（SAR） 干涉合成孔径雷达（Interferometric Sythetic Aperture Radar，INSAR）是SAR的一种新机制，可以用于获取地球表面高分辨率的三维地形图或等高线图，监视一些自然现象导致的变化。干涉SAR是将雷达系统对同一区域的“两次”观测获得的数据结合起来，根据干涉原理，利用其相位差获得更多的地表信息，如地表高度、地表覆盖物的微小变化。

从单幅雷达影像提取地面高程信息 处理流程：

从单幅雷达影像提取的地面高程信息

干涉测量：数据处理流程图 复雷达图象 轨道 1 图象配准 复共轭乘积 干涉图 DEM 成像参数 轨道 2 相位解缠 复雷达图

干涉测量：数据处理实例

2.5.8 近景摄影测量方法 数字近景摄影测量系统包括：影像获取、特征检测、影像相关、解析处理及产品输出及各部分。 2.5.8 近景摄影测量方法 数字近景摄影测量系统包括：影像获取、特征检测、影像相关、解析处理及产品输出及各部分。 不仅适用于建筑物外部数据的几何和纹理数据的获取，也适合于建筑物内部（如房间、走廊等）数据的获取，解决了建立深层次3D城市模型所存在的建筑物内部数据获取困难的问题。

2.5.8 近景摄影测量方法

デジタルオフィス

2.5.9 多数据源集成 数据类型 数据获取手段 建筑物的高度数据 在2D GIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度； 2.5.9 多数据源集成 数据类型 数据获取手段 建筑物的高度数据 在2D GIS数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度； 用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取 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 用机载激光扫描仪结合空中影像，经算法处理提取建筑物高度 用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物高度 由近景摄影测量系统获取 由INSAR获取

2.5.9 多数据源集成 建筑物的几何要素数据 根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据 2.5.9 多数据源集成 建筑物的几何要素数据 根据地形图/地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据 将数字地图或2D GIS中的建筑物轮廓线与其高度结合，用简单几何体表达建筑物外形特征 利用航空影像进行交互获取；利用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取 在地面使用GPS和激光三维扫描仪，通过测距求算获取 利用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取 由近景摄影测量系统获取 由移动测绘系统获取等

2.5.9 多数据源集成 构筑物及地面的纹理数据 由计算机生成 根据航空摄影像片获取；由卫星遥感像片获取 根据地面摄影像片直接获取 2.5.9 多数据源集成 构筑物及地面的纹理数据 由计算机生成 根据航空摄影像片获取；由卫星遥感像片获取 根据地面摄影像片直接获取 用机载激光扫描仪结合空中影像，经算法处理提取建筑物顶部纹理 用激光测距扫描仪结合CCD相机从地面获取建筑物立面纹理 由移动测绘系统获取等

2.5.9 多数据源集成 DEM数据 根据地形图上等高线及高程数据生成 直接使用2D GIS中的DEM数据 2.5.9 多数据源集成 DEM数据 根据地形图上等高线及高程数据生成 直接使用2D GIS中的DEM数据 利用全数字摄影测量系统，通过处理航摄像片生成 由机载激光扫描仪直接扫描并经后续处理得到 用SAR/INSAR获取等 其它数据 规划设计图纸、地形图、地籍图等 现有2D GIS数据库 野外调查与现有数据库的结合 计算机简单模拟绘制等

2.5.9 多数据源集成 Gunter Pomaska（1996）提出了基于多影像摄影测量的3D模型的建立方法。根据地面摄影测量和航空摄影测量组合获取3D城市模型数据，然后利用AutoCAD建立建筑物三维模型，再对其进行真实像片纹理映射，生成高度真实感纹理3D模型；

2.5.9 多数据源集成 Claus Brenner et al.（1998）提出了（地形图、地籍图）+（激光扫描）+（近景摄影测量）的多数据源组合建模方法，即从平面图（地形图、地籍图）和空中激光扫描的数字表面模型中获取建筑物3D几何数据，近景摄影测量获取建筑物立面像片纹理数据，用CSG法进行3D重构所得到的3D几何模型附以纹理映射，从而形成建筑物的照片纹理真实感3D模型；

2.5.9 多数据源集成 V.A.Knyaz（1998）提出了一种根据激光扫描仪获取的3D模型建立真实纹理的方法（激光扫描+近景摄影测量），用静态或动态摄像机获取3D距离模型的纹理——Intensity Image，参考点的距离信息用于在3D模型相关坐标系中对数字影像的外定向，然后产生模型的正射像片。并给出了建立像片写真模型的硬件和软件，以及利用激光扫描技术进行建筑物3D重构和贴加纹理的结果；

2.5.9 多数据源集成 Armin Gruen（1998）提出了一个由不同数据源混合构成城市模型的框架。T.E.Chen和R.Shibasaki（1998）提出了一种根据现有GIS数据库及规划建筑物的文档资料结合数字摄影测量技术进行3D数据获取的方法。从2D GIS数据库和建筑物文档资料获取数据，借助3DS、AutoCAD或OpenGL进行建筑物的3D建模。

思考题 用于建设虚拟城市的三维空间信息包括哪些内容？ 试述城市三维对象几何要素数据的获取方法。 简述GPS测量的原理。 试述扫描矢量化获取城市空间数据的主要过程及限制因素。 为什么数字摄影测量技术目前较好的城市空间信息的获取方法，试从系统构成、系统功能、产品特点等几方面加以说明。 简述机载激光扫描测量系统的工作原理，并分析其在获取城市DSM方面的优越性。 试述多数据源集成的必要性和集成方法。