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摘要：随着计算机软件、硬件突飞猛进的发展，各行各业对三维城市数字化的需求已经越来越突出，三维城市模型的构建是三维城市数字化的基础。本文从三维建模技术现状为着入点，着重研究了三维空间数据的获取与表达方法，希望为从业人员提供参考。
关键词：三维城市模型；现状；方法
一、三维建模技术现状
三维城市模型（3DCityModel，3ocM）是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂，但人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类：
1.1 遥感影像与DEM结合方式
即直接利用DEM生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统（如ArcView、MapGuide）己经具有这种2.5维的地形显示功能。
1.2 基于2DGIS的构建方式
即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法：
（1）在二维GIS的基础上，直接添加一些信息（如房屋高度、墙面纹理等），使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，另外没有考虑DEM。（2）DEM和二维GIS结合的方式，这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具真实感。（3）部分2DGIS系统（Arc/Info）发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的真实感程度不够。
1.3 纯三维的构建方式
针对数据获取方式的差异，纯三维构建3DCM方式分以下不同方法：
（1）利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；（2）利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；（3）利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。
二、三维空间数据的获取与表达方法
2.1 三维空间数据获取
由于传统的测绘手段都存在一定的局限性，不同的数据获取手段之间往往存在互补性，利用不同的传感器获取的多源数据的融合、实现多传感器集成的空间信息获取技术是建立模型的发展方向。下面是几种常见的获取三维空间数据的方法：工程测量、摄影测量、GPS、激光扫描和SAR与InSAR技术。
（1）工程测量技术
工程测量是空间定位的基本手段之一，既可以获取地表的2D坐标数据，又可以获取3D坐标数据，常用的仪器有：经纬仪，水准仪，全站仪和测量机器人。
这种方法获取三维空间数据的工作量较大，效率不高。
（2）摄影测量技术
摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。按距离可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量。
（3）GPS技术
GPS工作卫星共有24颗，均匀分布在倾角为55度的6个轨道上，各轨道升交点（与赤道交点）之间的角距为60度角，每个轨道分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40度角，以保证全球均匀覆盖的要求。系统提供P码和C/A码两种定位服务，P码提供精确定位服务（PPS），其误差为米级，主要为美国军事服务；C/A码提供标准定位服务（SPS），主要应用于非军事项目，如航天、航空、航海、测量、勘探等诸多领域。可提供全球范围从地面到9000公里高空之间任一载体的高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。安装在车辆上的车载单元只要能收到来自四颗卫星的定位信号，就可定出该辆车的经、纬度位置和时间信息。也就是说GPS的卫星所发射的空间轨道信息覆盖着整个地球表面。该方法具有定位精度高、观测时间短、测站间无须通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多、应用广等特点。
（4）激光扫描测量技术
激光扫描逐渐发展成为获取空间点的三维坐标的重要手段之一，有些激光扫描仪在获取空间点三维坐标的同时，还可以得到影像数据。激光扫描获取的主要是密集的点云数据，如建立一个物体的三维立体模型，由于自遮挡，一幅扫描点云图无法建立整个模型，因此，需要进行多次扫描.产生多幅点云数据。将多幅扫描点云图精确地自动地”装配”在一起，处于统一的坐标系下-产生物体表面的密集的三维空间点数据.并进行3D TIN的自动生成。
（5）SAR与InSAR技术
SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面，在波束能照射到的时间内，不断接收来自地表目标的反射脉冲，将在不同位置接收到目标信号，通过具有效率逆偏移特性的匹配滤波调制，就能够得到目标的唯一像点。
InSAR是利用SAR复数据的相位差来提取物体的3D信息，通过两副光线同时观测或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复图像对，由于目标与两线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差，形成干涉纹图，其中包含斜距面上的点与两天线位置之差的精确信息，因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，通过相位解缠，可以精确地测量出每一点的3D位置。
2.2 三维空间数据的表达与显示
（1）立体影像
三维立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一，通过逼真、立体地重现自然，给人带来身临其境的感觉。生理视差的存在使得人眼能分辨出景物的远近，因此，根据人眼立体视觉原理在计算机上实现人工立体视觉就能实现人为的立体观察。当前常用的方法有分光法、补色法、偏振光法、时分制法场分隔法等。时分制法是当前普遍采用的方法，该方法是将左右视场交替显示，在计算机屏幕前通过液晶方式或偏振光方式进行视图分拣，采用该方法来进行三维立体显示，硬件设备包括立体显示卜、红外发射器、液晶眼镜，软件在环境下用开发而成的。有着一定视差的两张像片经过处理后可以得到物体的三维模型，如何才能满足产生立体视觉所需的各项条件呢本文采用中提供的双缓冲区技术同时采用各种基本变换取景变换、模型变换、投影变换、视区变换，得到模型在不同视点下的三维景观图，即没有上下视差的左右影像，然后把左右影像分别写入左右缓存显示出来，也可以根据摄影测量学的相关知识测量出立体影像中某一点的三维坐标。
（2）点云
点云数据是使用各种三维数据采集设备得到的空间上离散的几何点，是由物体模型表面上一系列空间采样点构成的，对模型描述的表示。构成点云的最基本单位为点，以及与之关联的表面属数。每一个离散点存储了几何信息，如：三维坐标、大小和法向量等，还存储了物体的表面属性，如：纹理、光照参数和透明度等，除此外，还可以附加其它的表面性质。基于点云的上述性质，可以利用点云来表达与显示实体的三维空间数据。
三、结束语
总之，三维城市模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。研究结果有利于三维空间数据可视化方法的应用与推广，具有重要的实际意义。
参考文献：
[1] AI Gore.数字地球—认识21世纪我们这颗星球[J].世界科学，1998，10：2-4.
[2] 邓慧.关于数字城市的三维建模思路研究.科技资讯，2011，19：42-43.
[3] 孙家广.计算机图形学.北京：清华大学出版社，1998.
关键词：三维城市模型；现状；方法
一、三维建模技术现状
三维城市模型（3DCityModel，3ocM）是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂，但人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类：
1.1 遥感影像与DEM结合方式
即直接利用DEM生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统（如ArcView、MapGuide）己经具有这种2.5维的地形显示功能。
1.2 基于2DGIS的构建方式
即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法：
（1）在二维GIS的基础上，直接添加一些信息（如房屋高度、墙面纹理等），使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，另外没有考虑DEM。（2）DEM和二维GIS结合的方式，这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具真实感。（3）部分2DGIS系统（Arc/Info）发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的真实感程度不够。
1.3 纯三维的构建方式
针对数据获取方式的差异，纯三维构建3DCM方式分以下不同方法：
（1）利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；（2）利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；（3）利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。
二、三维空间数据的获取与表达方法
2.1 三维空间数据获取
由于传统的测绘手段都存在一定的局限性，不同的数据获取手段之间往往存在互补性，利用不同的传感器获取的多源数据的融合、实现多传感器集成的空间信息获取技术是建立模型的发展方向。下面是几种常见的获取三维空间数据的方法：工程测量、摄影测量、GPS、激光扫描和SAR与InSAR技术。
（1）工程测量技术
工程测量是空间定位的基本手段之一，既可以获取地表的2D坐标数据，又可以获取3D坐标数据，常用的仪器有：经纬仪，水准仪，全站仪和测量机器人。
这种方法获取三维空间数据的工作量较大，效率不高。
（2）摄影测量技术
摄影测量是利用光学摄影机获取的像片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。按距离可分为航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量。
（3）GPS技术
GPS工作卫星共有24颗，均匀分布在倾角为55度的6个轨道上，各轨道升交点（与赤道交点）之间的角距为60度角，每个轨道分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40度角，以保证全球均匀覆盖的要求。系统提供P码和C/A码两种定位服务，P码提供精确定位服务（PPS），其误差为米级，主要为美国军事服务；C/A码提供标准定位服务（SPS），主要应用于非军事项目，如航天、航空、航海、测量、勘探等诸多领域。可提供全球范围从地面到9000公里高空之间任一载体的高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。安装在车辆上的车载单元只要能收到来自四颗卫星的定位信号，就可定出该辆车的经、纬度位置和时间信息。也就是说GPS的卫星所发射的空间轨道信息覆盖着整个地球表面。该方法具有定位精度高、观测时间短、测站间无须通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多、应用广等特点。
（4）激光扫描测量技术
激光扫描逐渐发展成为获取空间点的三维坐标的重要手段之一，有些激光扫描仪在获取空间点三维坐标的同时，还可以得到影像数据。激光扫描获取的主要是密集的点云数据，如建立一个物体的三维立体模型，由于自遮挡，一幅扫描点云图无法建立整个模型，因此，需要进行多次扫描.产生多幅点云数据。将多幅扫描点云图精确地自动地”装配”在一起，处于统一的坐标系下-产生物体表面的密集的三维空间点数据.并进行3D TIN的自动生成。
（5）SAR与InSAR技术
SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些地物表面，在波束能照射到的时间内，不断接收来自地表目标的反射脉冲，将在不同位置接收到目标信号，通过具有效率逆偏移特性的匹配滤波调制，就能够得到目标的唯一像点。
InSAR是利用SAR复数据的相位差来提取物体的3D信息，通过两副光线同时观测或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复图像对，由于目标与两线位置的几何关系，在复图像上产生了相位差，形成干涉纹图，其中包含斜距面上的点与两天线位置之差的精确信息，因此，利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系，通过相位解缠，可以精确地测量出每一点的3D位置。
2.2 三维空间数据的表达与显示
（1）立体影像
三维立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一，通过逼真、立体地重现自然，给人带来身临其境的感觉。生理视差的存在使得人眼能分辨出景物的远近，因此，根据人眼立体视觉原理在计算机上实现人工立体视觉就能实现人为的立体观察。当前常用的方法有分光法、补色法、偏振光法、时分制法场分隔法等。时分制法是当前普遍采用的方法，该方法是将左右视场交替显示，在计算机屏幕前通过液晶方式或偏振光方式进行视图分拣，采用该方法来进行三维立体显示，硬件设备包括立体显示卜、红外发射器、液晶眼镜，软件在环境下用开发而成的。有着一定视差的两张像片经过处理后可以得到物体的三维模型，如何才能满足产生立体视觉所需的各项条件呢本文采用中提供的双缓冲区技术同时采用各种基本变换取景变换、模型变换、投影变换、视区变换，得到模型在不同视点下的三维景观图，即没有上下视差的左右影像，然后把左右影像分别写入左右缓存显示出来，也可以根据摄影测量学的相关知识测量出立体影像中某一点的三维坐标。
（2）点云
点云数据是使用各种三维数据采集设备得到的空间上离散的几何点，是由物体模型表面上一系列空间采样点构成的，对模型描述的表示。构成点云的最基本单位为点，以及与之关联的表面属数。每一个离散点存储了几何信息，如：三维坐标、大小和法向量等，还存储了物体的表面属性，如：纹理、光照参数和透明度等，除此外，还可以附加其它的表面性质。基于点云的上述性质，可以利用点云来表达与显示实体的三维空间数据。
三、结束语
总之，三维城市模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。研究结果有利于三维空间数据可视化方法的应用与推广，具有重要的实际意义。
参考文献：
[1] AI Gore.数字地球—认识21世纪我们这颗星球[J].世界科学，1998，10：2-4.
[2] 邓慧.关于数字城市的三维建模思路研究.科技资讯，2011，19：42-43.
[3] 孙家广.计算机图形学.北京：清华大学出版社，1998.