城市GIS-城市地理信息系統(tǒng)的技術(shù)與方法

第三章城市地理信息系統(tǒng)的技術(shù)與方法（第5講）

城市三維空間信息的獲取方法2.5.1城市三維空間信息的內(nèi)容2.5.2城市三維空間信息獲取2.5.3野外數(shù)據(jù)采集2.5.4地圖數(shù)字化2.5.5全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)2.5.6激光掃描測量系統(tǒng)2.5.7合成孔徑雷達2.5.8近景攝影測量方法2.5.9多數(shù)據(jù)源集成1232.5.1城市三維空間信息的內(nèi)容數(shù)字線劃數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型地物的屬性數(shù)據(jù)4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2.5.1城市三維空間信息的內(nèi)容52.5.1城市三維空間信息的內(nèi)容信息類型信息形式需要比例尺三維地形數(shù)字高程模型1：500～1000三維建筑地形圖1：500～1000地表紋理數(shù)字正射影像圖1：500～400062.5.2城市三維空間信息獲取DEM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)獲取紋理數(shù)據(jù)獲取72.5.2城市三維空間信息獲取DEM數(shù)據(jù)獲?。?）直接使用2DGIS中的DEM。（2）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。（3）由機載激光掃描系統(tǒng)直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到。（4）用合成孔徑雷達（SAR）獲取數(shù)字高程模型。82.5.2城市三維空間信息獲取二.建筑物高度數(shù)據(jù)獲?。?）在2DGIS數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度。（2）用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲取（以建筑物屋頂數(shù)據(jù)為主）（3）以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。（4）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、紋理以及其它數(shù)據(jù)。

92.5.2城市三維空間信息獲取三.三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲?。?）將2DGIS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征。（2）利用航空影像進行交互式獲取。（3）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。（4）在地面使用激光掃描儀與GPS，通過測距求算獲取。102.5.2城市三維空間信息獲取三.三維對象幾何要素數(shù)據(jù)獲?。?）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。（6）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)，使得人們很容易快速獲取一個實時的、不低于1m分辨率的城區(qū)影像圖。112.5.2城市三維空間信息獲取四.紋理數(shù)據(jù)獲?。?）由計算機作簡單模擬繪制。（2）地面攝影像片直接提取。（3）根據(jù)航攝像片由計算機生成。（4）由空中影像獲取。這種方法主要用來獲取地面影像。122.5.3野外數(shù)據(jù)采集全站儀測量GPS測量132.5.3野外數(shù)據(jù)采集全站儀測量Win-全站儀NTS-202W/205W全站儀是電子經(jīng)緯儀和激光測距儀的集成，它可以同時測量空間目標的距離和方位數(shù)據(jù)，并且進一步得到它的大地坐標數(shù)據(jù)142.5.3野外數(shù)據(jù)采集全站儀測量空間數(shù)據(jù)編輯處理和成圖的兩種模式：一種是利用AutoCAD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)處理和制圖。

室內(nèi)

野外全站儀電子手簿坐標數(shù)據(jù)計算機編輯處理空間數(shù)據(jù)152.5.3野外數(shù)據(jù)采集全站儀測量電子平板儀的測量示意圖電子平板：將便攜機直接與全站儀相連，測量的結(jié)果直接顯示在屏幕上。在野外直接進行空間目標的圖形連接和編輯處理，然后進行符號化、注記與制圖。

162.5.3野外數(shù)據(jù)采集GPS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的空間位置。177—3野外數(shù)據(jù)采集GPS測量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182.5.3野外數(shù)據(jù)采集GPS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（ColoradoSprings）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（DIgeoCarcia）、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)測站192.5.3野外數(shù)據(jù)采集GPS測量如果接收機能夠同時接收4顆以上的衛(wèi)星信號，如右圖所示。根據(jù)三維空間后方交會原理，由衛(wèi)星的位置和接收機與衛(wèi)星的距離，即可以計算出GPS接收機天線所在位置的三維地心坐標ZYXGPS測量的原理202.5.4地圖數(shù)字化手扶跟蹤數(shù)字化地圖掃描矢量化212.5.4地圖數(shù)字化掃描數(shù)字化222.5.4地圖數(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）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、矢量跟蹤等。

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。當線劃的狀態(tài)較好時，計算機自動跟蹤，到不能跟蹤的位置停止，然后人機交互，再繼續(xù)往前跟蹤。232.5.4地圖數(shù)字化掃描數(shù)字化

（1）點坐標數(shù)據(jù)+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。（2）折線坐標數(shù)據(jù)+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。（3）平面多邊形數(shù)據(jù)+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。（4）三角串數(shù)據(jù)+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）和體育場跑道（高程相同）等模型。242.5.5全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)數(shù)字高程模型（DEM）正射影像（DOM）數(shù)字柵格圖（DRG）數(shù)字線劃圖（DLG）252.5.6激光掃描測量系統(tǒng)高精度激光掃描儀（如AirborneScanner、LaserFa?adeScanner）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體大量的球面坐標信息，這些坐標可轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標系中，并進一步作用于有關(guān)的三維應(yīng)用。將GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）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)（AirborneScanningLaserMappingSystem），可進行大范圍數(shù)字地表模型（DigitalSurfaceModel，DSM）的高精度實時獲取。

26機載激光掃描技術(shù)GPSINS地形表面激光測距—成像光譜像元匹配點三維成像儀的原理示意圖AL-Hi27機載激光掃描技術(shù)——工作原理GPS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)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)幾何原理就可以計算出地面激光采樣點的三維位置。28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件上共用一套掃描光學(xué)系統(tǒng)而組成掃描激光測距—成像組合傳感器（AL-Hi），從而保證地面的激光點和圖像上的某些像元點嚴格匹配，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值。在后續(xù)處理中，激光采樣點作為控制點就可以生成DSM，也可以糾正同步獲取的遙感圖像。

機載激光掃描技術(shù)——工作原理29機載激光掃描技術(shù)DEM+CCD影象30機載激光測量的應(yīng)用實例城市地理信息數(shù)據(jù)獲取31機載激光測量的優(yōu)點與傳統(tǒng)的攝影測量作業(yè)相比，它無需地面控制點，可部分穿越樹林遮擋直接獲取地表的高精度三維信息；對天氣的要求不高，甚至夜間也可以飛行作業(yè)，其獲取DSM的成本僅為攝影測量的25%-33