倾斜摄影测量法三维城市建模外文翻译资料

 2022-08-27 10:08:01

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倾斜摄影测量法三维城市建模

概要：

世界各地的城市化呈指数级增长。在迅速增长的城市化进程中，我们观察到了地理信息系统、遥感、车辆导航系统和互联网地图服务等技术设备和服务。将二维分析功能扩展到第三维度的能力是GIS技术最重要的发展之一。三维建模对象对于城市规划、管理、城市景观表示等城市应用具有重要意义。目前，三维城市模型在GIS中发挥着越来越重要的作用。三维城市建模也是摄影测量技术研究的热点之一。本文介绍了土耳其利用斜向摄影测量方法建立三维城市模型的初步研究。对于这个项目，土耳其Konya市的3D城市模型，作为准备的三个层次的细节(LOD)。第四层，也是最后一层(LoD4)仅用于5座历史、旅游和宗教建筑的内部纹理：Mevlana博物馆、Selimiye清真寺、Serafettin清真寺、Aziziye清真寺、Ince Minarli Madrasa（博物馆）。这也是土耳其第一个利用斜线摄影测量进行三维城市建模的应用实例。

关键词：三维城市模型；斜摄影测量；城市规划。

1. 导言

近年来，越来越多的城市和公司为不同应用领域建立了三维城市模型，比如三维地籍、城市信息和旅游、城市规划、建筑、灾害管理、环境模拟、设施管理、车辆和行人导航、娱乐、活动营销、房地产、位置营销、能源供应业、地理信息业、运输和远程信息技术、国土防御、教育和学习、城市门户、基于位置的服务或地球科学等等[1,2]。这些应用可分为四大类：规划和设计、基础设施和设施服务、商业部门和营销、促进和学习城市[3]信息。

3D城市模型可以改进许多应用，但3D城市模型的早期学术例子之一是在格拉茨工业大学[4,5]完成的。[6]介绍了一种从航空图像中创建凤凰-美国三维城市模型的建模方法，并从时间、劳动和可重用性等方面讨论了该模型的效率和有效性。[7]描述了两个案例研究的虚拟城市模型在谷歌地球为东京和福冈。[8]的重点是识别、分类和整合3D建筑模型中建筑物和街区的能源相关关键指标。这些模型是在柏林能源图集的城市规划背景下建立的。城市规划是三维城市模型应用的重要领域之一，而德国汉堡哈芬市则是一个很好的例子[9]。

3D城市模型用来表示建筑物，城市小区，城市小区，城市，地区以及建筑物，树木，人造地物，基础设施，植被和地形等其他物体。根据数据采集技术，数据处理和城市模型的预期目的，实现或需要不同级别的数据质量。不同程度的数据质量反映在一个详细程度(LOD)概念[10]中。城市GML为城市模型定义了五个不同的质量级别[11]：

bull;详细级别 0(LOD0)：数字地形模型(DTM) 航空图像

bull;详细级别 1(LOD1)：建筑物的区块模型

bull;详细级别 2(LOD2)：屋顶结构，纹理

bull;详细级别 3(LOD3)：详细的屋顶和墙壁结构，包括阳台和植被

bull;详细级别 4(LOD4)：室内结构，如房间、门、楼梯和家具

这些详细级别需要不同类型的数据收集。使用LODO0到LOD2的模型可以从航空图像中产生，而内部结构则取决于[12]详细调查或建筑文件的可用性。

为了生成虚拟三维城市模型，可以采用的主要方法是：矢量地图数据、数字高程模型、航空图像等常规技术；激光扫描高分辨率卫星图像；利用近景摄影测量与数字表面模型和纹理映射的地面图像。这些技术还分为两大类：一类是基于自动化（自动、半自动和手动方法)，另一类是基于数据采集技术(摄影测量和激光技术）。摄影测量（近距离、航空、卫星)、激光测量(航空激光和地面激光）、全球定位系统或这些调制解调器方法的组合对创建三维城市模型[3]起着重要作用。航空摄影测量是建立三维城市模型的常用方法之一。它是有利的，因为它只需要几个图像。由于建筑物的纹理、脚印和屋顶是从同一图像中提取的，因此不需要图像的颜色平衡来修复[6]。航空摄影测量可以提供三维几何（地形和建筑物的高度，建筑物和屋顶结构的脚印）和地面纹理的信息。垂直墙纹理的获取方法之一是斜摄影测量法。

新开发的三维城市信息系统使用三维可视化；通过与GIS链接的详细三维城市模型的交互操作，提供大量城市信息的传输和接收。为GIS开发了新的技术，包括LOD建模和三维城市模型与GIS[13]之间的连接。在GIS技术中最重要的发展之一是将2D扩展到3D的能力。3DGIS概念揭示了在虚拟区域中呈现更真实世界的要求。

在本研究中，建立了具有5座历史、宗教和旅游建筑的300.000座建筑的三维模型。当模型的三维模型生成，彩色图像的纹理映射技术就可以被应用于建筑物中。此外，五个特殊，重要的建筑有他们的内部照片真实的反映过程。

  1. 研究区域

科尼亚省是土耳其最大的省份，有包括湖泊在内的40.814平方公里，面积占土耳其总面积的5%(图1)。根据2012年的人口登记地址制度，科尼亚拥有200多万人口，约占全国人口的2.7%。

科尼亚市具有丰富的自然和历史资源，包含有31个区，其中三个区(卡拉泰、梅拉姆和塞克鲁)构成城市中心，隶属于大都会市(图2)。研究区位于卡拉泰-梅兰-塞尔克鲁三个中心区的交汇处(图3)。

科尼亚大都会市曾试图拍摄城市的倾斜摄影测量图像，并生成三维城市模型。市政府需要城市投资的三维城市模型、城市规划、旅游和三维城市指南的决策，GeoGIS公司在研究区启动了有300000栋建筑物的三维城市建模项目，其中包括Mevlana博物馆、Slimiye清真寺、Serafettin清真寺、Aziziye清真寺和InceMinareli(Thinminale)宗教学校(图4，图5)。

Mevlana博物馆是Jalal ad-Din Muhammad Rumi 的陵墓，苏菲派神秘主义者也被称为Mevlana或Rumi。它也是梅夫列维秩序的苦行僧小屋，更被称为旋转苦行僧。1273年12月17日Mevlana去世时，他被安葬在父亲身边。梅芙拉娜,他的继任者HusamettinQelebi决定在他主人的坟墓上建造一座陵墓。在建筑师BehrettinTebrizli领导下的Seljuk建筑于1274年完工。塞里米耶清真寺是奥斯曼清真寺。梅夫拉纳博物馆位于塞利米耶清真寺以东。这座清真寺是1558年由苏丹·塞利姆二世委托建造的，当时他还是奥斯曼帝国的王子和科尼亚省的省长。它是在1570年他成为苏丹后完成的。阿齐兹耶清真寺是1671年至1676年期间由DamatMustafa Pasha委托建造的，他是苏丹穆罕默德四世的女儿Hatice Sultan的丈夫。然而，它被毁于1867年的火灾后，佩特夫尼亚尔，苏丹阿卜杜勒阿齐兹的母亲在1874年重新建造了它。Ince Minardi Madrasa位于阿拉丁山的西向。它是由Vizier Saip Ata Fahrettin Ali 在 Seljuk Sultan Izzettin Keykavus II 期间建造的，用于在 1264 年提供”Hadith”教育，现在是石头和木材艺术博物馆的所在地。serafettin清真寺是在12世纪委托建造的，但它被MehmetBey拆除和重组，MehmetBey是[15]1336年Qavus的儿子。

图1科尼亚【16】 图2科尼亚行政区【17】

图3 研究区域

图4 Ince Minardi；Madrasa Serafettin清真寺 图5Mevlana博物馆、Selimiye 清真寺、SErafettin 清真寺

  1. 途径和方法

起初，Konya市的一小部分，卡拉泰-梅拉姆-塞尔^英国卢区的交汇区，由于其众所周知的身份、城市中心的位置以及历史和旅游场所，被选为主题。

本研究选取斜式摄影测量作为摄影测量方法之一，进行数据采集。它将传统的最低点图像与高角度获取的倾斜图像相结合，建立了具有从倾斜图像[18,19]中获得的纹理数据的三维城市模型。全球定位系统(GPS)-惯性测量单元(IMU)集成采用经典航空摄影测量。地理参考斜向图像允许用户看到建筑物的每一面、结构或特征，展现盲点、以前无法在垂直摄影上定位的出口和入口。它有能力直接从照片中测量特征的高度、长度和面积。它改进了难以看到的房屋和设施的识别，如灯柱、电线杆等。在传统的正交图像上很难区分。这为提高非制图技术熟练人员地理信息的“可读性”、与地理信息系统数据库的整合以及在三维[20]中可视化地理信息系统数据提供了可能。

为了开发三维城市模型，提出了以下技术和要求：数据源、软硬件和操作步骤。

    1. 数据来源

主要数据来源为航拍照片。总共有42000张航空照片拍摄于300公里2具有10米GSD的区域（地面样本距离：是从空气中测量的地面数码照片中的像素中心之间的区域），用于垂直相机和8米、10米、12米的斜相机。三维城市模型的精度取决于航空图像的尺度，通常约为1：5000，前向和侧重叠分别为80%和60%。

    1. 硬件和软件

基于航空摄影测量的三维城市建模基本要求是机载和数码相机。在本研究中，CessnaT207A被用作机载，数码相机SENPcam安装在Cessna207A上。对于每个帧，一个垂直和四个斜数字相机，尼康D800e与7360x4912像素，安装在平台上。还有SomagGSM3000陀螺仪，IGI的GNNS/IMU系统IMU-IIe128Hz，轨道空气下轨FMS作为额外的主要设备。

为了将遥感数据转化为地图产品，必须有一种方法将数据定位在现实世界的坐标系中，并将数据缩放到地面测量单元中。要做到这一点，必须知道远程传感器相对于地面的位置和方向。通过将全球定位系统(GPS)接收机和惯性测量单元(IMU)集成到传感器平台中，可以实现传感器位置和方向的直接测量。它提供地理坐标遥感数据地理参考所需的信息。这是一项极其重要的使能技术，它最大限度地减少甚至消除对地面控制点的需要，并允许近实时地将遥感数据处理成精确的地图[21]。

采用立面纹理处理的两种方法，斜向空中图像和地面技术。一种是倾斜摄影测量图像；另一种是基于汽车的捕获技术。在倾斜图像上看不到的建筑物的侧面和建筑物的内部空间用TOPCONRIEGL激光扫描仪扫描。

在专业研究中，利用LeicaPhotogramMetricSuite(LPS)Pro600与Microstation对属于建筑物的线条进行数字化，在城市GRID模型上创建和编辑3D建筑模型，这是创建和编辑3D建筑模型的有力工具，并提供与3DStudioMax设计（AutoDesk)的充分集成）。

使用Maplnfb软件将三维模型集成到GIS环境中，然后用于Web演示应用。

    1. 操作步骤

在项目中使用数码相机前，需要对相机进行校准。利用GPS技术建立42个地面控制点，并对其进行数字摄像机标定。

将获取的斜向图像导入LPSPro600微站。在微站环境下，利用LPSPro600扩展对建筑物的脚印和侧壁线进行数字化。不同程度的质量的建筑物内侧线，屋顶，烟囱和内部线被手动收集在细节概念中(LOD)[1,10]。

在3DStudioMax设计中，所有线路都被转移到CityGRID建模器中。根据城市GML标准对LOD进行分类。LoDs只包含有足迹线和侧壁线，没有屋顶结构的区块模型。LoD2伴随着屋顶结构的增加，LOD3增加了有烟囱和阳台。LOD4是增强的LOD3与内部空间结构和纹理，并有可步行的内部空间。没有表面或纹理的三维模型将建筑物表示为顶点和边的数量。它只是线图，并给出了建筑物的形状。图7展示了带有立面的建筑物的三维模型。图8是建筑物外部纹理的一个例子。对于室内空间和建筑物外部，移动激光扫描仪与GPS/IMU集成一起使用。在纹理化后，创建了一个新的三维模型质量。它使它更类似于真实的对象，更适合人类的感知和理解。在这个项目中，只有5座历史和旅游建筑(Mevlana博物馆、Selimiye清真寺、Serafettin清真寺、Aziziye清真寺和InceMinardiMadrasa)具有内部纹理映射.

图6

图7

图8

  1. 结果和讨论

科尼亚是土耳其安纳托利亚中部的一个城市。它是土耳其经济和工业最发达的城市之一。在历史上，科尼亚是安纳托利亚塞尔朱克苏丹国和卡拉曼民族的首都。由于它是一个拥有人口、住区、工业和设施的大都市，它有宝贵而重要的历史场所和建筑物。科尼亚市吸引着历史、文化和自然资源的人们。自新石器时代[15]以来，它一直是数千年文化艺术活动的主办国和文化艺术的首都。因此，在Konya市3D城市建模项目中，应用了300多平方公里有300.000座建筑的地区，5座历史和宗教建筑是在三维环境中建造的：Mevlana博物馆、Selimiye清真寺、Serafettin清真寺、Aziziye清真寺、InceMinardiMadrasa。

从研究的方法点得到的结果是，从8m、10m和12mGSD的数字立体图像中提取建筑物的三维数字化几何图形是从倾斜摄影测量数据在LOD3中创建建筑模型的一个很好的起点。斜图像历来被用于可视化和解释目的，而不是度量应用，军事部门和考古学的例外。现在，它们被认为是摄影测量和GIS的新数据源。由于倾斜图像的直观性质，这些图像似乎类似于人类的共同视角，这些图像对决策者非常有吸引力。在西欧，BLOM建立了一个覆盖超过1.000个城市的斜向图像数据库。通过BL

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