城市GIS_城市地理信息系統(tǒng)的技術(shù)與方法

1、 數(shù)字線劃數(shù)據(jù)數(shù)字線劃數(shù)據(jù) 影像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù) 數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型 地物的屬性數(shù)據(jù)地物的屬性數(shù)據(jù)數(shù)字線劃數(shù)據(jù)：是將空間地物直接抽象為點(diǎn)、線、面的實(shí)體，用坐標(biāo)描述它的位置和形狀。 影像數(shù)據(jù)：包括遙感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像 數(shù)字高程模型：即三維地形數(shù)據(jù)，實(shí)際上是地表物體的高程信息屬性特征：是在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中構(gòu)建城市三維模型所必需的信息 DEMDEM數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取 建筑物高度數(shù)據(jù)獲取建筑物高度數(shù)據(jù)獲取 三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取 紋理數(shù)據(jù)獲取紋理數(shù)據(jù)獲取 DEMDEM數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲?。? 1）直接使用）直接使用2D GIS2D GIS中的中的D

2、EMDEM。（2 2）通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，處理航攝影）通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，處理航攝影像（包括高分辨率遙感影像）生成。像（包括高分辨率遙感影像）生成。（3 3）由機(jī)載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)后）由機(jī)載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到。續(xù)處理得到。（4 4）用合成孔徑雷達(dá)（）用合成孔徑雷達(dá)（SARSAR）獲取數(shù)字高）獲取數(shù)字高程模型。程模型。二二. . 建筑物高度數(shù)據(jù)獲取建筑物高度數(shù)據(jù)獲?。? 1）在）在2D GIS2D GIS數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度。算建筑物高度。（2 2）用人工或半自動(dòng)的方式借助軟件基于）用人工或半自動(dòng)的方式借助軟件基于影像獲取（以

3、建筑物屋頂數(shù)據(jù)為主）影像獲?。ㄒ越ㄖ镂蓓敂?shù)據(jù)為主） （3 3）以研究算法為主，從影像中直接提?。┮匝芯克惴橹?，從影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。建筑物高度以及其他信息。 （4 4）用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)）用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)過(guò)算法處理提取建筑物高程、紋理以及其它過(guò)算法處理提取建筑物高程、紋理以及其它數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 三三. . 三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取（1 1）將）將2D GIS2D GIS中的建筑物輪廓線與建筑物中的建筑物輪廓線與建筑物高度結(jié)合，用簡(jiǎn)單幾何體表達(dá)建筑物外形特高度結(jié)合，用簡(jiǎn)單幾何體表達(dá)建筑物外形特征。征。（2 2）利用航空影像

4、進(jìn)行交互式獲取。）利用航空影像進(jìn)行交互式獲取。（3 3）使用航空影像以及地面攝影對(duì)建筑物）使用航空影像以及地面攝影對(duì)建筑物特征線進(jìn)行自動(dòng)提取。特征線進(jìn)行自動(dòng)提取。（4 4）在地面使用激光掃描儀與）在地面使用激光掃描儀與GPSGPS，通過(guò)，通過(guò)測(cè)距求算獲取。測(cè)距求算獲取。三三. . 三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取三維對(duì)象幾何要素?cái)?shù)據(jù)獲取（5 5）采用近景攝影測(cè)量方法，獲取建筑物）采用近景攝影測(cè)量方法，獲取建筑物的幾何形狀數(shù)據(jù)。它不僅可以獲取建筑物外的幾何形狀數(shù)據(jù)。它不僅可以獲取建筑物外部的幾何形狀信息，也可以測(cè)量其內(nèi)部幾何部的幾何形狀信息，也可以測(cè)量其內(nèi)部幾何信息，適用于對(duì)單體建筑的量測(cè)。對(duì)于獲取信息

5、，適用于對(duì)單體建筑的量測(cè)。對(duì)于獲取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，如古建筑的數(shù)據(jù)也是一結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，如古建筑的數(shù)據(jù)也是一種比較理想的選擇。種比較理想的選擇。（6 6）使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行建筑物的）使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行建筑物的自動(dòng)提取。高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使得自動(dòng)提取。高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使得人們很容易快速獲取一個(gè)實(shí)時(shí)的、不低于人們很容易快速獲取一個(gè)實(shí)時(shí)的、不低于1m1m分辨率的城區(qū)影像圖。分辨率的城區(qū)影像圖。四四. . 紋理數(shù)據(jù)獲取紋理數(shù)據(jù)獲?。? 1）由計(jì)算機(jī)作簡(jiǎn)單模擬繪制。）由計(jì)算機(jī)作簡(jiǎn)單模擬繪制。 （2 2）地面攝影像片直接提取。）地面攝影像片直接提取。（3 3）根據(jù)航攝像片由計(jì)算

6、機(jī)生成。）根據(jù)航攝像片由計(jì)算機(jī)生成。 （4 4）由空中影像獲取。這種方法主要用來(lái)）由空中影像獲取。這種方法主要用來(lái)獲取地面影像。獲取地面影像。W 全站儀測(cè)量全站儀測(cè)量W GPSGPS測(cè)量測(cè)量W 全站儀測(cè)量全站儀測(cè)量Win-Win-全站儀全站儀NTS-202W/205WNTS-202W/205W全站儀是電子經(jīng)緯儀和激光測(cè)距儀的集成，它可以同時(shí)測(cè)量空間目標(biāo)的距離和方位數(shù)據(jù)，并且進(jìn)一步得到它的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù) W 全站儀測(cè)量全站儀測(cè)量空間數(shù)據(jù)編輯處理和成圖的兩種模式：一種是利空間數(shù)據(jù)編輯處理和成圖的兩種模式：一種是利用用AutoCADAutoCAD圖形軟件進(jìn)行圖形的處理和制圖，另圖形軟件進(jìn)行圖形的處理和

7、制圖，另一種是自行編制數(shù)字制圖軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理一種是自行編制數(shù)字制圖軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理和制圖。和制圖。 室內(nèi) 野外全站儀全站儀電子手簿電子手簿坐標(biāo)數(shù)據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)編輯處理編輯處理空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)W 全站儀測(cè)量全站儀測(cè)量電子平板儀的測(cè)量示意圖電子平板儀的測(cè)量示意圖電子平板：將便攜機(jī)直電子平板：將便攜機(jī)直接與全站儀相連，測(cè)量接與全站儀相連，測(cè)量的結(jié)果直接顯示在屏幕的結(jié)果直接顯示在屏幕上。在野外直接進(jìn)行空上。在野外直接進(jìn)行空間目標(biāo)的圖形連接和編間目標(biāo)的圖形連接和編輯處理，然后進(jìn)行符號(hào)輯處理，然后進(jìn)行符號(hào)化、注記與制圖。化、注記與制圖。 W GPSGPS測(cè)量測(cè)量GPS由三大部分組成：GP

8、S衛(wèi)星（空間部分）、地面支撐系統(tǒng)（地面監(jiān)控部分）和GPS接收機(jī)（用戶部分）虛擬城市建設(shè)所要解決的問(wèn)題之一，是采集、存儲(chǔ)、管理及應(yīng)用空間數(shù)據(jù)，而GPS正具有提供空間數(shù)據(jù)的功能，可以實(shí)時(shí)、快速的提供地物目標(biāo)的空間位置。W GPSGPS測(cè)量測(cè)量GPS由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中有3顆備用衛(wèi)星，這就是21+3模式，他們分布在6條軌道面上，在距離地面大約20183KM軌道高度上以每日繞地兩周運(yùn)行著。6條軌道按軌道面夾角60間距分開。每條軌道與赤道面的交角為55，軌道形狀近似圓形，每條軌道上有4顆衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星軌道分布W GPSGPS測(cè)量測(cè)量GPS地面監(jiān)控站分布網(wǎng)絡(luò)GPS控制系統(tǒng)包括監(jiān)控站、上行注入和主控站，

9、均設(shè)在美國(guó)國(guó)內(nèi)，主控站設(shè)在美國(guó)本土科羅拉多斯本士（Colorado Springs）的聯(lián)合執(zhí)行中心CSOC；三個(gè)注入站分別設(shè)在印度洋美軍基地狄哥伽西亞（DIgeo Carcia）、大西洋美軍基地阿松森（Asencion）和太平洋美軍基地卡瓦加蘭（Kwajalein），此外還在夏威夷設(shè)有監(jiān)測(cè)站 W GPSGPS測(cè)量測(cè)量如果接收機(jī)能夠同時(shí)接收如果接收機(jī)能夠同時(shí)接收4 4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，如右圖顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，如右圖所示。根據(jù)三維空間后方交所示。根據(jù)三維空間后方交會(huì)原理，由衛(wèi)星的位置和接會(huì)原理，由衛(wèi)星的位置和接收機(jī)與衛(wèi)星的距離，即可以收機(jī)與衛(wèi)星的距離，即可以計(jì)算出計(jì)算出GPSGPS接收機(jī)天線所在接

10、收機(jī)天線所在位置的三維地心坐標(biāo)位置的三維地心坐標(biāo) ZYX GPS測(cè)量的原理W 手扶跟蹤數(shù)字化手扶跟蹤數(shù)字化W 地圖掃描矢量化地圖掃描矢量化W 掃描數(shù)字化掃描數(shù)字化W 掃描數(shù)字化掃描數(shù)字化地圖掃描數(shù)字化可以有兩種方式：自動(dòng)（半自動(dòng)）地圖掃描數(shù)字化可以有兩種方式：自動(dòng)（半自動(dòng)）矢量化和交互式矢量化。矢量化和交互式矢量化。 自動(dòng)（半自動(dòng)）矢量化自動(dòng)（半自動(dòng)）矢量化：一般先將灰度影像變：一般先將灰度影像變換成二值影像，二值影像自動(dòng)（半自動(dòng)）矢量化的換成二值影像，二值影像自動(dòng)（半自動(dòng)）矢量化的方法有多種，一般包括細(xì)化、斷線連接、去毛刺、方法有多種，一般包括細(xì)化、斷線連接、去毛刺、矢量跟蹤等。矢量跟蹤等。

11、 交互式矢量化交互式矢量化：采用人機(jī)交互的方式，對(duì)地圖：采用人機(jī)交互的方式，對(duì)地圖上的每個(gè)圖形實(shí)體逐條線劃進(jìn)行矢量跟蹤。當(dāng)線劃上的每個(gè)圖形實(shí)體逐條線劃進(jìn)行矢量跟蹤。當(dāng)線劃的狀態(tài)較好時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)跟蹤，到不能跟蹤的位的狀態(tài)較好時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)跟蹤，到不能跟蹤的位置停止，然后人機(jī)交互，再繼續(xù)往前跟蹤。置停止，然后人機(jī)交互，再繼續(xù)往前跟蹤。W 掃描數(shù)字化掃描數(shù)字化 （1 1）點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)+ +高程數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)造樹木、路牌、：用于構(gòu)造樹木、路牌、旗桿、路燈等呈點(diǎn)狀分布的模型。旗桿、路燈等呈點(diǎn)狀分布的模型。（2 2）折線坐標(biāo)數(shù)據(jù)折線坐標(biāo)數(shù)據(jù)+ +高程數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)造柵欄、宣傳：用于構(gòu)

12、造柵欄、宣傳欄等呈線狀分布的模型。欄等呈線狀分布的模型。（3 3）平面多邊形數(shù)據(jù)平面多邊形數(shù)據(jù)+ +高程數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)：普遍適用于地面、：普遍適用于地面、房屋、草坪、道路等模型的建立。房屋、草坪、道路等模型的建立。（4 4）三角串?dāng)?shù)據(jù)三角串?dāng)?shù)據(jù)+ +高程數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)造較為復(fù)雜的模：用于構(gòu)造較為復(fù)雜的模型。利用這種數(shù)據(jù)可以構(gòu)造河堤岸（高程不同）和體型。利用這種數(shù)據(jù)可以構(gòu)造河堤岸（高程不同）和體育場(chǎng)跑道（高程相同）等模型。育場(chǎng)跑道（高程相同）等模型。 數(shù)字高程模型（數(shù)字高程模型（DEMDEM） 正射影像（正射影像（DOMDOM） 數(shù)字柵格圖（數(shù)字柵格圖（DRGDRG） 數(shù)字線劃圖（數(shù)字線劃圖

13、（DLGDLG） 高精度激光掃描儀（如高精度激光掃描儀（如Airborne ScannerAirborne Scanner、Laser Faade ScannerLaser Faade Scanner）能夠獲取物體表面高）能夠獲取物體表面高解析度的數(shù)字距離影像，影像中包含被掃描物解析度的數(shù)字距離影像，影像中包含被掃描物體大量的球面坐標(biāo)信息，這些坐標(biāo)可轉(zhuǎn)換到笛體大量的球面坐標(biāo)信息，這些坐標(biāo)可轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系中，并進(jìn)一步作用于有關(guān)的三維應(yīng)卡爾坐標(biāo)系中，并進(jìn)一步作用于有關(guān)的三維應(yīng)用。用。 將將GPSGPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INSINS）和掃描激光測(cè)）和掃描激光測(cè)距儀進(jìn)行集成，則組成機(jī)

14、載激光掃描制圖系統(tǒng)距儀進(jìn)行集成，則組成機(jī)載激光掃描制圖系統(tǒng)（Airborne Scanning Laser Mapping SystemAirborne Scanning Laser Mapping System），），可進(jìn)行大范圍數(shù)字地表模型（可進(jìn)行大范圍數(shù)字地表模型（Digital Surface Digital Surface ModelModel，DSMDSM）的高精度實(shí)時(shí)獲取。）的高精度實(shí)時(shí)獲取。 GPSINS地形表面激光測(cè)距激光測(cè)距成像光譜成像光譜像元匹配點(diǎn)像元匹配點(diǎn)三維成像儀的原理示意圖A L -Hi GPSGPS能測(cè)得三維成像儀在空中的精確三能測(cè)得三維成像儀在空中的精確三維位置

15、，姿態(tài)測(cè)量裝置能測(cè)出它的姿態(tài)維位置，姿態(tài)測(cè)量裝置能測(cè)出它的姿態(tài)參數(shù)，掃描激光測(cè)距儀可以精確測(cè)定成參數(shù)，掃描激光測(cè)距儀可以精確測(cè)定成像中心到地面激光采樣點(diǎn)的距離，根據(jù)像中心到地面激光采樣點(diǎn)的距離，根據(jù)幾何原理就可以計(jì)算出地面激光采樣點(diǎn)幾何原理就可以計(jì)算出地面激光采樣點(diǎn)的三維位置。的三維位置。 掃描成像儀同步獲取地面的掃描圖像，掃描成像儀同步獲取地面的掃描圖像，而且掃描成像儀和掃描激光測(cè)距儀在硬而且掃描成像儀和掃描激光測(cè)距儀在硬件上共用一套掃描光學(xué)系統(tǒng)而組成掃描件上共用一套掃描光學(xué)系統(tǒng)而組成掃描激光測(cè)距激光測(cè)距成像組合傳感器（成像組合傳感器（AL-HiAL-Hi），），從而保證地面的激光點(diǎn)和圖像上

16、的某些從而保證地面的激光點(diǎn)和圖像上的某些像元點(diǎn)嚴(yán)格匹配，即在獲取地面點(diǎn)的圖像元點(diǎn)嚴(yán)格匹配，即在獲取地面點(diǎn)的圖像同時(shí)還獲取該點(diǎn)到成像儀的激光距離像同時(shí)還獲取該點(diǎn)到成像儀的激光距離值。在后續(xù)處理中，激光采樣點(diǎn)作為控值。在后續(xù)處理中，激光采樣點(diǎn)作為控制點(diǎn)就可以生成制點(diǎn)就可以生成DSMDSM，也可以糾正同步，也可以糾正同步獲取的遙感圖像。獲取的遙感圖像。 DEM+CCD影象合成孔徑雷達(dá)（合成孔徑雷達(dá)（Sythetic Aperture RadarSythetic Aperture Radar，SARSAR）是一種全天時(shí)、全天候的微波成像是一種全天時(shí)、全天候的微波成像雷達(dá)，不僅可以詳細(xì)的、較準(zhǔn)確的觀測(cè)地

17、雷達(dá)，不僅可以詳細(xì)的、較準(zhǔn)確的觀測(cè)地形、地貌，獲取地球表面的信息，還可以形、地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過(guò)地表和自然植被收集地表下面的信息。透過(guò)地表和自然植被收集地表下面的信息。 干涉合成孔徑雷達(dá)（Interferometric Sythetic Aperture Radar，INSAR）是SAR的一種新機(jī)制，可以用于獲取地球表面高分辨率的三維地形圖或等高線圖，監(jiān)視一些自然現(xiàn)象導(dǎo)致的變化。干涉SAR是將雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)同一區(qū)域的“兩次”觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，根據(jù)干涉原理，利用其相位差獲得更多的地表信息，如地表高度、地表覆蓋物的微小變化。 從單幅雷達(dá)影像提取地面高程信息從單幅雷達(dá)影像提取地面高

18、程信息復(fù)雷達(dá)圖象復(fù)雷達(dá)圖象軌道軌道 1圖象配準(zhǔn)圖象配準(zhǔn)復(fù)共軛乘積復(fù)共軛乘積干涉圖干涉圖DEM軌道軌道 1成像參數(shù)成像參數(shù)軌道軌道 2成像參數(shù)成像參數(shù)相位解纏相位解纏復(fù)雷達(dá)圖復(fù)雷達(dá)圖軌道軌道 2 數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)包括：影像獲取、特征檢測(cè)、影像相關(guān)、解析處理及產(chǎn)品輸出及各部分。 不僅適用于建筑物外部數(shù)據(jù)的幾何和紋理數(shù)據(jù)的獲取，也適合于建筑物內(nèi)部（如房間、走廊等）數(shù)據(jù)的獲取，解決了建立深層次3D城市模型所存在的建筑物內(nèi)部數(shù)據(jù)獲取困難的問(wèn)題。 Gunter Pomaska（1996）提出了基于多影像攝影測(cè)量的3D模型的建立方法。根據(jù)地面攝影測(cè)量和航空攝影測(cè)量組合獲取3D城市模型數(shù)據(jù)，然后利用Aut

19、oCAD建立建筑物三維模型，再對(duì)其進(jìn)行真實(shí)像片紋理映射，生成高度真實(shí)感紋理3D模型； Claus Brenner et al.（1998）提出了（地形圖、地籍圖）+（激光掃描）+（近景攝影測(cè)量）的多數(shù)據(jù)源組合建模方法，即從平面圖（地形圖、地籍圖）和空中激光掃描的數(shù)字表面模型中獲取建筑物3D幾何數(shù)據(jù)，近景攝影測(cè)量獲取建筑物立面像片紋理數(shù)據(jù)，用CSG法進(jìn)行3D重構(gòu)所得到的3D幾何模型附以紋理映射，從而形成建筑物的照片紋理真實(shí)感3D模型； V.A.Knyaz（1998）提出了一種根據(jù)激光掃描儀獲取的3D模型建立真實(shí)紋理的方法（激光掃描+近景攝影測(cè)量），用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)攝像機(jī)獲取3D距離模型的紋理Intensity