三维城市建模论文

【摘 要】在高分辨率影像中，阴影的存在本来是常见的问题，是由于成像时光线被完全或部分遮挡而引起的，而利用技术对阴影区域进行分析后发现，阴影区域的灰度值与周围成像区域灰度值不同，再利用光线的角度和强度，可以有效判断需成像建筑的具体原型。在利用影像的具体分析之后建立几何模型，对建筑物的三维数据进行计算，并减小误差，这样得出的三维城市模型是十分可取，也是十分可信的。

在高分辨率影像中，阴影的存在本来是常见的问题，是由于成像时光线被完全或部分遮挡而引起的，而利用技术对阴影区域进行分析后发现，阴影区域的灰度值与周围成像区域灰度值不同，再利用光线的角度和强度，可以有效判断需成像建筑的具体原型。利用这一性质，就可以对三维城市的建模提出新的方案和措施。下面，本文将以此出发，研究三维城市建模的背景与意义，并对基于影像的三维城市建模技术做以深入的分析与介绍。

一、基于影像的三维城市建模的研究背景与意义

随着科技的不断发展，21世纪的许多领域都变成了数字化领域。所以，我国的科学家们也越来越认识到数字科技的重要性。城市的规划与重建与可视三维技术的结合就应该算是传统行业与数字科技结合的具体表现之一。许多城市规划前，都会首先建立三维城市模型，所以如何构建三维城市景观模型就成了这一研究课题的关键所在。所谓可视性三维城市建模就是运用遥感和定位技术将城市地理系统建

筑等情况进行三维描述。所以这一技术的开发和研究具有很多现实意义。

1.研究背景。随着科技的不断发展，立体成像的能力逐渐提高，尤其是许多立体作图软件的不断更新，让传统三维建模转向了新型的三维建模方式。目前，利用相片和提取影像等技术进行的三维建模也应运而生。对于城市规划和测绘来说，建筑建模是其关键，而建筑物建模的关键则是提取建筑物的三维信息。目前，利用相片和影像提取建筑物三维信息的方法一般分为两种，一种是将图像信息结合高程科技；另一种则是利用多光谱影像信息对影像进行色度处理，通过人工智能的技术实现城市建筑的三维信息的提取。

2.研究意义。随着高分辨率影像的发展和进步，影像具有很多优点，比如空间分辨率高、清晰度高等。而其中还具有时效性强，数据源充分等技术优势。所以基于影像的三维城市模型建为三维城市建模提供了详细的数据，丰富的技术手段以及简易的操作技巧等。现代市场经济的发展规律是以消费为中心，所以当影像建模兴起之后，不同公司都为影像处理提供了高端的软件和技术。

二、基于影像的三维城市建模的技术与构建模型

基于影像的三维城市建模的核心问题是对建筑物三维信息的获取，本文在介绍具体技术时，需介绍具体的操作步骤和构建模型。所以本文的重心将是通过对建筑物阴影的量取来确定建筑物的三维信息。并对建筑物的整体位置和外观做出校对。

1.首先，笔者就建筑物的三维建模流程做出以下的流程图，将更加直观的表现出基于影像的三维建筑建模的方法。下图表示了城市建筑物的三维信息获取图，也就是城市建筑在三维建模之前的必要步骤。

图1直观的表现出了建筑物三维建模方式，与传统的相片、竣工材料进行的建模稍有不同。其中的影像阴影检测是对影像的预处理方法，而对建筑物高度信息的获取则是通过几何法进行获取。下文笔者还将具体论述阴影法提取建筑物三维信息的基本原理、几何方法和具体计算过程。

2.阴影的几何性质和使用原理。首先，我们都知道阴影的形成需要光的参与，然而在光的参与下，仍然有不同的分类，比如本影、投影、全影等。而对于三维城市建模这一具体研究课题，我们将主要精力放在投影和本影上。本影的定义是障碍物本身没有被光线照射到的地方。而投影则是需要有第三者的参与，也就是说被障碍物遮挡的背景区域。

由图2可知，ACDB灰色区域即为本影，CEF黑色区域为投影。其中：AE为阴影形成线，CD为分隔线，EF为阴影线。根据阴影的光盘性质可知，在相同情况下，阴影覆盖区域的影像灰度值比未被阴影覆盖区域灰度值小。也就是说CEF黑色区域比其他区域的影像灰度值小。根据这一定义再加上对阴影面积的具体判定就能得出建筑物的阴影覆盖面积，然后建立几何模型，求出建筑物的高度，也就得到了最基本的建筑物三维信息。

3.具体说来，三维建模数据获取的内容不仅仅是建筑物的高度和覆盖面积。还需要对纹理信息以及DTM数据等进行分析。首先，对于建筑物几何外型的特征获取。许多建筑物的的外型是复杂且不规则的，针对不同的建筑物，要有不同的方法。对于简单的建筑物和规则建筑物可以直接采取上文中的图示法计算，而对于不规则的建筑物则需要通过利用其复杂程度的不同而采取影响与相片相结合的方法进行获取。

三、基于影像的三维城市建模的发展前景

上文主要对影像的阴影特征和技术做了介绍，分析了基于影像的三维建筑的建模方法。就其基本原理和发展意义做了简单的分析和论述，下面笔者将从三维城市建模的发展前景上具体论述基于影像的三维城市建模这一技术。

1.基于影像的三维建模对数学发展的促进。可视性三维建模从某些意义上讲应该属于数学形态学的分支和应用。在处理图像的过程中，数学形态学以数学的方法将图像处理的更加细腻、逼真。比如对于影像阴影部分的处理分析，用数学的方法可以通过分辨率分析阴影部分的组成和灰度值的大小。这是对数学矩阵的典型应用。所以基于影像的三维技术是对数学要求更高的技术。

2.误差不断缩小。通过具体数据可以表明，利用影像分析进行的三维城市建模与实际城市的数据误差已经能控制在0.05m左右。已经完全符合建筑物三维信息调查的误差要求。而且这一误差的发生与操作的关系不大，而是由于光线的衍射原理造成的边缘灰度值有所差

异。所以未来的影像三维技术将对阴影边缘下更大的努力进行分析和计算，争取更小的误差。

结语：在高分辨率影像中，阴影的存在本来是常见的问题，是由于成像时光线被完全或部分遮挡而引起的，而利用技术对阴影区域进行分析后发现，阴影区域的灰度值与周围成像区域灰度值不同，再利用光线的角度和强度，可以有效判断需成像建筑的具体原型。在利用影像的具体分析之后建立几何模型，对建筑物的三维数据进行计算，并减小误差，这样得出的三维城市模型是十分可取，也是十分可信的。

参考文献：

[1] 马川.基于单幅高分辨率遥感影像的城市建筑物三维几何建模[D].西南交通大学，2012.

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