1、高精度三维城市模型的质量控制主要内容 三维城市模型（3DCM）数据内容 3DCM数据的获取与建模方法 3DCM生产的工艺流程 3DCM数据质量分析 3DCM的全面质量控制 三维城市模型 数据内容 数码城市(CyberCity)是城市信息化发展的一个主要方向，数码城市的基本内容是三维城市模型（3D City Model,简称3DCM）。随着数码城市的不断深入发展和日益广泛的应用，人们越来越关注3DCM逼真性和应用能力。在数码城市的建设和日益广泛的应用中，3DCM的数据质量是关键因素之一。数码城市(CyberCity)是城市信息化发展的一个主要方向，数码城市的基本内容是三维城市模型（3D City
2、 Model,简称3DCM）。三维城市模型不仅以三维的形式表示城市景观，而且还能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材质参数的描述如几何形状、相片纹理与属性等都将是三维城市模型的数据内容。三维城市模型作为数码城市的骨架，不仅仅包括地形、地物（建筑物、交通网络，植被等）的三维空间几何表达，而且还包括这些地物的纹理特征（对地形来说，其纹理特征就是相对应的DOM）以及其他的相关属性信息。三维城市模型数据生产的内容包括数字地面模型（Digital Elevation Model，简称DEM）、数字正射影像（Digital Orthoimage Map，简称DOM）、城市固定地物的三维模型数据（3D C
3、ity Model Data，简称CMD）、材质、纹理和相关的多媒体属性数据。三维城市模型DEMDOM地物三维模型数据多媒体属性数据三维城市模型数据生产的内容三维城市模型数据的获取与建模方法 在城市环境中尽管很多建筑物具有相似的外形，但往往不同的建筑物具有不同的几何外形特征。在 2D GIS中一般只用建筑物的地面轮廓线来表达建筑物，这种表达只反映了建筑物本身很少部分的信息。在三维城市模型中除了建筑物的基本平面位置及高度信息外，还需表达建筑物的色彩纹理与几何外形特征，这些几何外形特征往往体现三维对象特别是建筑物对象的独特风格。由于城市环境中建筑物成百上千，如果采用传统测量方法，其工作量之大令人难
4、以忍受。因而有许多学者在如何获取建筑物的几何外形特征（或要素方面）进行了深入研究，具代表性的工作有如下几种：将 2D GIS中的建筑物轮廓线与建筑物高度（由层数计算或其他方式得到）结合，用简单几何体表达建筑物外形特征。这种方法最简便，同时三维数据量最少，但也与实际相差最大。使用航空影像进行交互式获取。由于航空影像真实地反映了城市建筑的所有顶部信息，同时也反映了建筑物的部分侧面信息以及大部分建筑物附属信息，因而可以运用数字化结合人工交互的方式获取建筑物的外形特征。这种方法能较真实地获取所需要的信息，但由于需要人工干预，工作量也是相当大的。使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取。这种方
5、式获取速度最快，但获取几何信息不够完整，需要人工做大量后续处理，目前还难以达到实用。在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。这种方式获取速度也较快，且所获取几何信息相当精确，但工作量相当大，是一种具有发展前景的方法。使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。高分辨率影像卫星的出现，使得人们很容易快速获取一个实时的，不低于1m分辨率的城区影像图，对于高分辨率卫星影像目前可用要素法非常有效地判别建筑物，因而是最有发展潜力的一种方法。三维建模有很多，而且相关的新软件不断出现，目前比较通用的建模软件有国外的AutoCAD、3DMAX、MultiGen等。国内也出现了类似的产品，如灵图公司的VR
6、Map、适普公司的IMAGIS等。AutoCAD致力于模型的精细和机械的完整，它做出的数据是目前的工业标准，有精确的材质定义和大量的属性数据。AutoCAD绘图的目的是通过模拟复杂的数据设计规则来生成工程图，广泛用于工业设计制造行业。3DMAX目前的主要用途在制作动画方面，由于它的交换格式3ds文件能有效的描述大多数三维模型，所以已经很多软件都支持这种格式，有的还把3DMAX模型作为自己的主要数据源。但3DMAX模型没有属性信息，也不支持自动建模。MultiGen建模主要是为了做视觉仿真，对于建筑物的屋顶等复杂对象，提供了丰富的模型库供选择。它做出的模型可以根据需要进行实时简化，并且可以将任意
7、的多边形数据以一种高效率的结构组织，还能保存视觉仿真的控制元素。它的缺点是建模周期大，成本高。MultiGen-Paradigm公司和ESRI公司联合推出的产品SITEBUILDER 3D，可以根据Arc/Info二维数据以及建筑物的高度属性自动的重建三维模型，不过目前SITEBUILDER 3D自动建立的模型还只是平顶的立方体式的模型，不能有效的表达屋顶的各种复杂形态。灵图公司的VRMap主要目的是三维景观的再现，注重场景实时漫游速度和仿真效果，但建模手段比较简单，目前只能生成一些立方体式的模型，比较复杂的模型要通过3DMAX和AutoCAD制作，只有一些很简单的模型编辑功能。适普公司的IM
8、AGIS 可以自动建立比较简单的模型，也有一些编辑功能，可以做出比较复杂的模型，并有100多种建筑物的屋顶模型。3DCM生产的工艺流程 摄影测量生产DEM的工艺流程 摄影测量生产DOM的工艺流程 遥感影像处理制作DOM的工艺流程 摄影测量采集城市三维数据工艺流程 三维城市建模工艺流程摄影负片像片扫描控制点数据像对定向或方位元素安置自动相关获取DEMDEM编辑多模型DEM镶嵌存盘或建库质量检查与元数据文件记录全数字化摄影测量生产DEM的工作流程 摄影负片像片扫描控制点数据像对定向或方位元素安置DEM采集与编辑数字微分纠正数字正射影像镶嵌存盘或建库质量检查与元数据文件记录全数字摄影测量方法生产数字
9、正射影像遥感数据控制点数据数字影像几何纠正数字影像处理与融合DEM数字影像镶嵌图幅裁切与整饰数字正射影像输出或存盘质量检测与元数据文件记录遥感影像处理制作DOM的生产流程控制点坐标影像定向参数质量检测与元数据文件记录导出ASC文本格式数据检查 编辑 修改人工测量建筑物顶部轮廓特征点/线人工选择地物类和用户码建立立体模型数字影像图纸数字摄影测量工作站交互式数字摄影测量采集城市三维数据流程图 特征编码数据3DS/MAX 三维设计模型三维建模与编辑平台实地拍摄纹理影像三维城市景观模型数据转换、模型编辑、纹理映射、属性定义多媒体属性数据正射影像数字高程模型贴面纹理影像图象处理三维城市建模流程图 生成D
10、EM生成DOM几何数据采集三维建模数据格式转换特殊建筑、各类小品设施的3ds模型制作3ds模型插入dxf野外调绘准备工作、数据输入内定向、相对定向、绝对定向空三数据模型数据编辑、整饰三维城市景观模型多媒体属性数据输入属性数据获取模型纹理数据制作与映射近地面地物模型制作纹理映射纹理数据获取ASC生成核线三维城市模型数据生产流程图3DCM数据质量分析 数据从采集、加工、存档到使用，每一步都可能引入误差。如果了解不同处理阶段数据误差的来源和特点，在每步数据处理过程中都能做质量检查和控制，就可以大大减少误差。误差分为系统误差和随机误差（偶然误差）两种。系统误差一经发现易于纠正，而随机误差则一般只能逐一
11、纠正或采取不同处理手段来避免。数据处理过程误差来源数据搜集遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取错误地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷等误差属性误差数据输入DEM误差几何特征数据的采集误差数据存储数值精度不够空间精度不够：格网或图像太大、地图最小制图单元太大数据处理插值误差、格式转换误差、数据计算变换误差、拓扑关系误差 三维城市模型数据主要误差来源 在三维城市模型的建立过程中，在数据搜集阶段，由于用于建模的遥感数据和地图数据一般采用已有的数据，所以这类误差不易控制，只能尽可能采用最精确的数据。遥感数据是 GIS的重要数据源，遥感数据的误差一部分来自遥感数据的观测过程，主要
12、表现为空间分辨率、几何畸变和辐射误差。它们将影响遥感数据的位置和属性精度，其中几何畸变和辐射误差是可以控制或改正的。在几何纠正中，属性误差可源于重采样，位置误差则源于纠正模型的近似性以及纠正控制点误差。微分纠正中如使用 DEM则比基于少量地面控制点的多项式纠正所产生的误差要小得多。地图数字化是数据获取的一种常用方法。数字化的误差特性取决于所选的数字化方式、操作员的技能与经验及数字化设备的分辨率和精度等。属性数据是城市地理信息系统的重要数据源，一般由调查统计方法得到，其中存在的数据质量问题主要包括调查随机误差和统计误差。DEM表面上点的误差是数字地面建模过程中所传播的各种误差的综合，它主要受以下
13、几个因素的影响：（1）地形表面的特征；（2）DEM原始数据的精度；（3）DEM表面建模的方法 几何特征数据的采集误差主要出现在从原始数据中提取几何对象的特征数据的过程中，例如在用数字摄影测量工作站采集城市模型的特征数据时，系统误差、操作员的操作误差都可能出现。数值的存储精度不够和空间精度不够都会降低数据的最终质量，但增加这两个指标的任何一个都会引起数据量的成倍增加，对于海量的GIS数据尤其是三维模型数据来说，需要大大增加硬件成本，所以在保持精度的同时降低数据量的手段非常必须，可以采取数据压缩方法。数据格式转换主要是指数据在不同文件格式之间的转换。在转换过程中，由于各系统内部数据结构不同和功能差
14、异，往往会造成信息的损失，包括数据精度上的损失。数据计算变换指通过各种计算方法对数据进行的处理，包括数据坐标变换、比例变换、投影变换等。变换过程中，由于算法模型本身的局限而引入误差。在地形图叠加并且使用特定的算法时，会产生误差，如地形图叠加、边界交叉、两层或多层网络系统叠加等，可能导致拓扑关系上的误差。3DCM数据的全面质量控制 数据质量分析和数据质量控制是三维城市模型数据质量问题的重要内容。数据质量分析的目的在于分析和了解三维城市模型数据和产品中误差的性质、来源、类型和大小以及产生的原因，对系统数据和最终结果中的不确定因素进行模拟和估计，从而了解三维城市模型数据的可靠性和可信度。三维城市模型
15、数据质量控制的含义主要指在数据从采集到最后生成的一系列过程中，对可能引起误差的步骤和过程加以控制，对这些步骤和过程的一些指标和参数予以规定，对检查出的误差和错误进行修正，以达到提高系统数据质量和应用水平的目的。数据质量是一个相对的概念，甚至衡量数据质量的标准也会随具体应用的特点和要求而变化。其次，数据质量本身具有不确定性，除了可度量的空间和属性误差外，许多质量因素是很不明显或是很难确定的。因此，数据质量问题中，有可以减小甚至消除的误差，也有很难检测和控制的因素。三维城市模型数据的质量控制，是针对其中可度量和可控制的质量问题而言的，主要集中在数据源的选择和处理部分。数据质量控制应贯穿整个数据生产
16、过程中。数据源选择中的质量控制数据源选择中的质量控制 数据源选择中的数据质量控制在于选择质量满足系统和应用要求的数据源，这是决定三维城市模型数据质量的关键因素。源数据的获取完全参照已有标准和规范执行质量控制，比如根据三维城市模型数据的服务目的确定好其空间尺度以后，就可以选择相应比例尺的航空摄影规范和GIS数字线划图标准作为依据。由于数据处理和使用过程的每一个步骤都会保留甚至加大原有误差，同时可能引入新的数据误差，因此，数据源的误差范围至少不能大于系统对数据误差的要求范围。对于遥感数据和传统的2维线划数据如GIS中的DLG，由于各种原因不一定都能够得到实时数据，但也应该在保证精度要求的前提下尽可
17、能地选择最新的数据，以保证数据的现势性，降低数据的时间误差。数据采集中的质量控制的目的主要是削弱地理数据的数字化不确定性（包括人和设备），如提高影像扫描的分辨率；减少转换不确定性（如优化和改进数据转换算法等）；减少计算机字长引起的不确定性（如使用计算机字长较大的高档计算机）；减少存储不确定性（如使用较高质量的存储介质等）；优化不确定性传播函数的计算方法。三维特征数据的采集同样遵从常规数据获取的有关标准，比如控制点数据精度、加密数据精度、模型定向精度、平面坐标和高程的精度等与常规要求一致。数据采集中的质量控制数据采集中的质量控制 建模过程中的质量控制建模过程中的质量控制 建模过程中的质量控制的目
18、的主要是削弱建模过程中各种计算方法对数据精度的影响，如数据坐标变换、比例变换、投影变换等；减少数字高程模型内插误差（如改进内插算法等）。对阶段性的数据需要及时进行各项检查，保证几何信息的完整、拓扑关系的一致、属性信息的一一对应（如通过人工交互检查）。数据完成后必须对所有的数据整体组装后进行集成检查，包括数据精度是否符合要求，几何信息是否完整（如是否缺面、少点）、属性信息是否一致（如纹理显示是否正确），以及拓扑关系的一致（如屋角的垂直关系、屋顶边界点的共面等）。数据完成后的质量检查数据完成后的质量检查几种主要的质量控制方法 基于正射影像的套合检查基于正射影像的套合检查 基于正射影像套合检查的目的
19、主要是找出建模过程中是否有遗漏的对象、对象位置和屋顶纹理的正确性、对象内部关系的合法性如空间点的共面特性、空间直线的平行特性和相互垂直特性等。这种检查可以通过逐一调出每个目标的几何模型数据并套合正射影像数据或DLG数据以及实地调绘资料进行多角度对比检查。图为垂直关系的检查 基于几何约束关系的自动质量检查基于几何约束关系的自动质量检查 基于几何约束关系的自动质量检查的目的主要是为了排除三维模型之间或模型内部的几何不合法性，这些不合法性可能体现在面与面的关系，点与面的关系，线与面的关系，体与体的关系上，如体与体之间不能重叠，面与面的角度有一定限制，线与面不应相交或交点不应在面的内部等。这些检查的内
20、容可以由用户指定，如用户可以指定检查一片区域内的房屋相邻侧面是否互相垂直，或者指定检查所有的电力线是否都不和建筑物相交等。自动检查的结果不一定都一定是错误的，只能作为可疑的对象列出，并由用户依据资料核实其正误。基于属性查询的逻辑检查基于属性查询的逻辑检查 在建立三维模型的过程中，由于数据的建模过程一般为程序根据一定的算法自动完成，所以如果原始数据不合理，则可能“造”出各种不符合逻辑的模型。例如生成的建筑物的宽度过小、高度过高或过矮等。对于这种建筑物，当然不能绝对的认为其一定错误，但很有必要把它们一一列出，以便操作员根据资料一一核实。这种检查可以通过对所有建筑物的属性查询来实现。由用户指定一定的
21、查询条件，系统遍历所有的建筑物模型，选择出符合查询条件的所有建筑物，并一一显示在屏幕中间让操作员确认是否真的不符合实际。如对有楼层属性的建筑，可以查询所有楼层属性和建筑物几何高度不符合给定比例的建筑是否存在。对于不符合实际情况的所有模型，需要根据原始资料一一更正，确实不能通过修改得到准确值的，应该将此模型从数据库中删除，并根据原始资料重新建立。基于三维可视化的人工检查基于三维可视化的人工检查 为了更直接和全面地检查数据，可以建立三维可视化的环境，直观地对所有数据进行检查。这个过程需要人工交互，由操作人员根据数据显示的效果来判断数据的各种拓扑关系是否合理，纹理是否被正确无误地贴在对应的位置。要实
22、现这个过程，需要系统具有强大方便的可视化功能。最基本的功能包括漫游、旋转、缩放、鸟瞰、沿路径飞行等。有了这些基本的手段，操作员可以方便的进行各项检查。成图比例尺为：1：2000，DEM以5m的格网间隔来生产。在传统2D的应用领域，5m格网间隔的DEM已能满足应用需求。但是在数码城市的建设和应用中，在几何数据采集完成后的几何模型建立过程中DEM将作为建筑物几何模型的地面起算依据，同时也要根据DEM来制作近地面地物几何模型（由多个不相交且覆盖整个DEM的面和体组成），那么DEM所能表达的细节程度便直接影响着建筑物三维几何模型和近地面地物几何模型数据质量。DEM质量控制质量控制 在地面高程发生突变的
23、时候，比如坡度较大的陡砍，坡度的上边缘与下边缘之间的距离小于DEM格网间隔的时候，坡度总是与实际地形不一致。在地面高程发生突变的地方，总有人工地物的一角或者一边切入地下，被DEM所吞噬，这个时候往往要修改人工地物的下脚点，如，山上的建筑物，山上的道路。为了逼真的重现地表，制作近地面地物几何模型时，根据DEM生成的面模型也往往需要修改角点的坐标（一般是高程坐标），给近地面地物的建模增加很大的工作量。DOM数据主要是叠加在DEM数据上，用来增强三维地形的真实性。因此，在三维城市模型数据中DOM数据采用原有的2D质量控制方法和相关内容。DOM分辨率要满足该成图比例相应规范要求，数学基础正确，按一定的
24、分幅范围进行裁剪，相邻DOM图幅是要保证一定像素的重叠，相邻DOM图幅的色调保持一致，附件质量：主要指所上交的文档资料填写内容完整、格式正确、元数据文件内容完整等要符合要求。DOM质量控制质量控制地物三维模型数据质量控制主要是基于地物（主要是建筑物）三维模型的拓扑关系来实现的。地物三维模型数据的几何拓扑关系主要是点、线、面、体之间或者内部之间的关系，如：两点点同高或者共线、线与线平行或者垂直、点是否在某个面内、围墙不应穿过建筑物、电力线不与建筑物相交、建筑物具有一定的对称性、体与体之间不能重叠交叉等。基于点、线、面、体之间几何约束关系的质量检查，指根据点、线、面、体之间几何约束关系自动检查三维
25、城市模型建筑物数据是否满足这些约束条件，对不满足约束条件的应根据资料核实、更正。地物三维模型数据质量控制地物三维模型数据质量控制 三维城市模型数据中的纹理数据及属性数据是相当庞大，对数据一一进行质量检查相当耗时，在三维建模阶段的纹理数据及属性数据的质量控制一般采用质量抽检检查法。纹理及属性数据的质量控制纹理及属性数据的质量控制 质量抽样检查法，是指从被检验对象的总体中随机抽取一部分样本进行检验，根据检验结果来评断总体的质量水平并决定全部产品是否合格的方法。选择抽样方案的原则：对待检数据产品质量要有正确的估计，能真正起到质量管理的作用；抽样检验的方法简单易行，并符合经济原则。抽样检验的方案按抽样
26、次数可分为一次抽检法、二次抽检法、多次抽检法和序惯抽检法。其中二次抽样检查方法，先抽第一个样本进行检验，若能据此作出该批产品合格与否的判断、检验中止。如果不能作出判断，就再抽取第二个样本，然后再次检验后作出是否合格的判断。纹理数据是否模糊三维场景中的植被种类是否于实地一致植被纹理是否扭曲、变形植被纹理与近地面地物几何模型相对位置关系是否正确建筑物相邻侧面的纹理特征是否衔接纹理是否与建筑物侧面正确对应建筑物侧面纹理是否与建筑物层数一致建筑物纹理是否与周围环境相协调纹理数据质量控制纹理数据质量控制属性数据质量检查属性数据质量检查 描述空间数据的属性项定义（如：名称、类型等）必须正确，属性表结构中各数据项的属性取值与其单位不能异常，即检查属性的完整性、属性数据的现势性、属性数据说明的合理性等；属性数据逻辑一致性，主要是指属性数据与空间数据之间、属性数据之间、属性数据与侧面纹理之间的逻辑关系要保持一致，例如，建筑物属性中的层数与其几何模型的高度不符和侧面纹理可数到的层数不一致。
