第八講城市三維空間信息獲取方式

1、第八講城市三維空間信息獲取方式2345 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)6數(shù)字線劃數(shù)據(jù)：是將空間地物直接抽象為點、線、面的實體，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)，實際上是地表物體的高程信息屬性特征：是在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中構(gòu)建城市三維模型所必需的信息 7信息類型信息類型信息形式信息形式需要比例尺需要比例尺三維地形三維地形數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型1：5001000三維建筑三維建筑地形圖地形圖1：5001000地表紋理地表紋理數(shù)字正射影像圖數(shù)字正

2、射影像圖1：500400040008 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 三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取 紋理數(shù)據(jù)獲取紋理數(shù)據(jù)獲取9 DEMDEM數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取（1 1）直接使用）直接使用2D GIS2D GIS中的中的DEMDEM。（2 2）通過數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，處理航攝影）通過數(shù)字攝影測量系統(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）由機載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)后）由機載激光掃描系統(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（）用合成孔徑雷達（SARSAR）獲取數(shù)字高）獲取

3、數(shù)字高程模型。程模型。10二二. . 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)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度。算建筑物高度。（2 2）用人工或半自動的方式借助軟件基于）用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲?。ㄒ越ㄖ镂蓓敂?shù)據(jù)為主）影像獲取（以建筑物屋頂數(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橹鳎瑥挠跋裰兄苯犹崛〗ㄖ锔叨纫约捌渌畔?。建筑物高度以及其他信息。 （4 4）用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)）用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)過算法處理提取建筑物高程、紋理以及其它過算法處理提取建筑物高程、紋

4、理以及其它數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 11三三. . 三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲?。? 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，用簡單幾何體表達建筑物外形特高度結(jié)合，用簡單幾何體表達建筑物外形特征。征。（2 2）利用航空影像進行交互式獲取。）利用航空影像進行交互式獲取。（3 3）使用航空影像以及地面攝影對建筑物）使用航空影像以及地面攝影對建筑物特征線進行自動提取。特征線進行自動提取。（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，通過測距求算獲取。測距求算獲取。12三三. . 三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲取三維對象

5、幾何要素數(shù)據(jù)獲?。? 5）采用近景攝影測量方法，獲取建筑物）采用近景攝影測量方法，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，也可以測量其內(nèi)部幾何部的幾何形狀信息，也可以測量其內(nèi)部幾何信息，適用于對單體建筑的量測。對于獲取信息，適用于對單體建筑的量測。對于獲取結(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)星影像進行建筑物的）使用高分辨率衛(wèi)星影像進行建筑物的自動提取。高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使得自動提取。高分辨率衛(wèi)星影像的出現(xiàn)，使得人們很容易快速獲

6、取一個實時的、不低于人們很容易快速獲取一個實時的、不低于1m1m分辨率的城區(qū)影像圖。分辨率的城區(qū)影像圖。13四四. . 紋理數(shù)據(jù)獲取紋理數(shù)據(jù)獲取（1 1）由計算機作簡單模擬繪制。）由計算機作簡單模擬繪制。 （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)航攝像片由計算機生成。）根據(jù)航攝像片由計算機生成。 （4 4）由空中影像獲取。這種方法主要用來）由空中影像獲取。這種方法主要用來獲取地面影像。獲取地面影像。14W 全站儀測量全站儀測量W GPSGPS測量測量15W 全站儀測量全站儀測量Win-Win-全站儀全站儀NTS-202W/205WNTS-202W/205W全站儀是

7、電子經(jīng)緯儀和激光測距儀的集成，它可以同時測量空間目標(biāo)的距離和方位數(shù)據(jù)，并且進一步得到它的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù) 16W 全站儀測量全站儀測量空間數(shù)據(jù)編輯處理和成圖的兩種模式：一種是利用空間數(shù)據(jù)編輯處理和成圖的兩種模式：一種是利用AutoCADAutoCAD圖形軟件進行圖形的處理和制圖，另一圖形軟件進行圖形的處理和制圖，另一種是自行編制數(shù)字制圖軟件進行空間數(shù)據(jù)處理和制種是自行編制數(shù)字制圖軟件進行空間數(shù)據(jù)處理和制圖。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)計算機計算機編輯處理編輯處理空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)17W 全站儀測量全站儀測量電子平板儀的測量示意圖電子平板儀的測量示意圖電子平板：將便攜機

8、直電子平板：將便攜機直接與全站儀相連，測量接與全站儀相連，測量的結(jié)果直接顯示在屏幕的結(jié)果直接顯示在屏幕上。在野外直接進行空上。在野外直接進行空間目標(biāo)的圖形連接和編間目標(biāo)的圖形連接和編輯處理，然后進行符號輯處理，然后進行符號化、注記與制圖?；⒆⒂浥c制圖。 18W GPSGPS測量測量GPS由三大部分組成：GPS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（用戶部分）虛擬城市建設(shè)所要解決的問題之一，是采集、存儲、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，可以實時、快速的提供地物目標(biāo)的空間位置。19W GPSGPS測量測量GPS由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中有3顆備用衛(wèi)星，這就

9、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20W GPSGPS測量測量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，均設(shè)在美國國內(nèi)，主控站設(shè)在美國本土科羅拉多斯本士（Colorado Springs）的聯(lián)合執(zhí)行中心CSOC；三個注入站分別設(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

10、設(shè)有監(jiān)測站 21W GPSGPS測量測量如果接收機能夠同時接收如果接收機能夠同時接收4 4顆以上的衛(wèi)星信號，如右圖顆以上的衛(wèi)星信號，如右圖所示。根據(jù)三維空間后方交所示。根據(jù)三維空間后方交會原理，由衛(wèi)星的位置和接會原理，由衛(wèi)星的位置和接收機與衛(wèi)星的距離，即可以收機與衛(wèi)星的距離，即可以計算出計算出GPSGPS接收機天線所在接收機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測量的原理22W 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23W 掃描數(shù)字化掃描數(shù)字化24W 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（半自動）地圖掃描數(shù)字化可以有兩種方式：自動（

11、半自動）矢量化和交互式矢量化。矢量化和交互式矢量化。 自動（半自動）矢量化：一般先將灰度影像變自動（半自動）矢量化：一般先將灰度影像變換成二值影像，二值影像自動（半自動）矢量化的換成二值影像，二值影像自動（半自動）矢量化的方法有多種，一般包括細化、斷線連接、去毛刺、方法有多種，一般包括細化、斷線連接、去毛刺、矢量跟蹤等。矢量跟蹤等。 交互式矢量化：采用人機交互的方式，對地圖交互式矢量化：采用人機交互的方式，對地圖上的每個圖形實體逐條線劃進行矢量跟蹤。當(dāng)線劃上的每個圖形實體逐條線劃進行矢量跟蹤。當(dāng)線劃的狀態(tài)較好時，計算機自動跟蹤，到不能跟蹤的位的狀態(tài)較好時，計算機自動跟蹤，到不能跟蹤的位置停止，

12、然后人機交互，再繼續(xù)往前跟蹤。置停止，然后人機交互，再繼續(xù)往前跟蹤。25W 掃描數(shù)字化掃描數(shù)字化 （1 1）點坐標(biāo)數(shù)據(jù)）點坐標(biāo)數(shù)據(jù)+ +高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)造樹木、路牌、高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)造樹木、路牌、旗桿、路燈等呈點狀分布的模型。旗桿、路燈等呈點狀分布的模型。（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)：用于構(gòu)造柵欄、宣傳高程數(shù)據(jù)：用于構(gòu)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)：普遍適用于地面、高程數(shù)據(jù)：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)

13、據(jù)：用于構(gòu)造較為復(fù)雜的模高程數(shù)據(jù)：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）和體育場跑道（高程相同）等模型。育場跑道（高程相同）等模型。26 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（DLGDLG）27 高精度激光掃描儀（如高精度激光掃描儀（如Airborne ScannerAirborne Scanner、Laser FaLaser Faade Scannerade Scanner）能夠獲取物體表面高）能夠獲取物體表面高解析度

14、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，并進一步作用于有關(guān)的三維應(yīng)卡爾坐標(biāo)系中，并進一步作用于有關(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）和掃描激光測距儀進行集成，則組成機載激光掃描制圖系統(tǒng)距儀進行集成，則組成機載激光掃描制圖系統(tǒng)（Airborne Scanning Laser Mapping SystemAirborne Scanning Laser Mapping System），），可進行大范圍數(shù)字地表模型（

15、可進行大范圍數(shù)字地表模型（Digital Surface Digital Surface ModelModel，DSMDSM）的高精度實時獲取。）的高精度實時獲取。 28GPSINS地形表面激光測距激光測距成像光譜成像光譜像元匹配點像元匹配點三維成像儀的原理示意圖A L -Hi29 GPSGPS能測得三維成像儀在空中的精確三能測得三維成像儀在空中的精確三維位置，姿態(tài)測量裝置能測出它的姿態(tài)維位置，姿態(tài)測量裝置能測出它的姿態(tài)參數(shù)，掃描激光測距儀可以精確測定成參數(shù)，掃描激光測距儀可以精確測定成像中心到地面激光采樣點的距離，根據(jù)像中心到地面激光采樣點的距離，根據(jù)幾何原理就可以計算出地面激光采樣點幾何原

16、理就可以計算出地面激光采樣點的三維位置。的三維位置。30 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距儀在硬而且掃描成像儀和掃描激光測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)而組成掃描激光測距激光測距成像組合傳感器（成像組合傳感器（AL-HiAL-Hi），），從而保證地面的激光點和圖像上的某些從而保證地面的激光點和圖像上的某些像元點嚴(yán)格匹配，即在獲取地面點的圖像元點嚴(yán)格匹配，即在獲取地面點的圖像同時還獲取該點到成像儀的激光距離像同時還獲取該點到成像儀的激光距離值。在后續(xù)處理中，激光采樣點作為控值。在后續(xù)處理中，激光采

17、樣點作為控制點就可以生成制點就可以生成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。 31DEM+CCD影象323334合成孔徑雷達（合成孔徑雷達（Sythetic Aperture RadarSythetic Aperture Radar，SARSAR）是一種全天時、全天候的微波成像是一種全天時、全天候的微波成像雷達，不僅可以詳細的、較準(zhǔn)確的觀測雷達，不僅可以詳細的、較準(zhǔn)確的觀測地形、地貌，獲取地球表面的信息，還地形、地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過地表和自然植被收集地表下面可以透過地表和自然植被收集地表下面的信息。的信息。 35干涉合成孔徑雷達（Inter

18、ferometric Sythetic Aperture Radar，INSAR）是SAR的一種新機制，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是將雷達系統(tǒng)對同一區(qū)域的“兩次”觀測獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，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。 36從單幅雷達影像提取地面高程信息從單幅雷達影像提取地面高程信息3738復(fù)雷達圖象復(fù)雷達圖象軌道軌道 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)雷達圖復(fù)雷達圖軌道軌道 23940

19、數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)包括：影像獲取、特征檢測、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)獲取困難的問題。 414243444546數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)獲取手段數(shù)據(jù)獲取手段建筑物的高建筑物的高度數(shù)據(jù)度數(shù)據(jù)在在2D GIS2D GIS數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度；數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度；用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲取用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲取以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以以研究算法為主，從影像中直

20、接提取建筑物高度以及其他信息及其他信息用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)算法處理提取用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)算法處理提取建筑物高度建筑物高度用激光測距掃描儀結(jié)合用激光測距掃描儀結(jié)合CCDCCD相機從地面獲取建筑物相機從地面獲取建筑物高度高度由近景攝影測量系統(tǒng)獲取由近景攝影測量系統(tǒng)獲取由由INSARINSAR獲取獲取47建筑物的幾建筑物的幾何要素數(shù)據(jù)何要素數(shù)據(jù)根據(jù)地形圖根據(jù)地形圖/ /地籍圖數(shù)字化得到建筑物投影地籍圖數(shù)字化得到建筑物投影平面幾何數(shù)據(jù)平面幾何數(shù)據(jù)將數(shù)字地圖或?qū)?shù)字地圖或2D GIS2D GIS中的建筑物輪廓線與其中的建筑物輪廓線與其高度結(jié)合，用簡單幾何體表達建筑物外形特征高度

21、結(jié)合，用簡單幾何體表達建筑物外形特征利用航空影像進行交互獲??；利用航空影像利用航空影像進行交互獲??；利用航空影像以及地面攝影對建筑物特征線進行自動提取以及地面攝影對建筑物特征線進行自動提取在地面使用在地面使用GPSGPS和激光三維掃描儀，通過測和激光三維掃描儀，通過測距求算獲取距求算獲取利用高分辨率衛(wèi)星影像進行建筑物的自動提利用高分辨率衛(wèi)星影像進行建筑物的自動提取取由近景攝影測量系統(tǒng)獲取由近景攝影測量系統(tǒng)獲取由移動測繪系統(tǒng)獲取等由移動測繪系統(tǒng)獲取等48構(gòu)筑物及構(gòu)筑物及地面的紋地面的紋理數(shù)據(jù)理數(shù)據(jù)由計算機生成由計算機生成根據(jù)航空攝影像片獲?。挥尚l(wèi)星遙感根據(jù)航空攝影像片獲??；由衛(wèi)星遙感像片獲取像片

22、獲取根據(jù)地面攝影像片直接獲取根據(jù)地面攝影像片直接獲取用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，經(jīng)算法處理提取建筑物頂部紋理算法處理提取建筑物頂部紋理用激光測距掃描儀結(jié)合用激光測距掃描儀結(jié)合CCDCCD相機從地相機從地面獲取建筑物立面紋理面獲取建筑物立面紋理由移動測繪系統(tǒng)獲取等由移動測繪系統(tǒng)獲取等49DEMDEM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)根據(jù)地形圖上等高線及高程數(shù)據(jù)生成根據(jù)地形圖上等高線及高程數(shù)據(jù)生成直接使用直接使用2D GIS2D GIS中的中的DEMDEM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，通過處理利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，通過處理航攝像片生成航攝像片生成由機載激光掃描儀直接掃描并經(jīng)后續(xù)由機載激光掃描儀直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到處理得到用用SAR/INSARSAR/INSAR獲取等獲