數字城市是指以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用遙感、GPS、GIS、遙測、仿真—虛擬等技術，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術手段把城市的過去、現狀和未來的全部內容在網絡上進行數字化虛擬實現。

空間信息領域建設的數字城市地理空間框架遵循了國家測繪地理信息局提出的“一庫＋一平臺＋Ｎ個典型應用”的建設思路，主要以城市各區縣為單位展開建設。一庫是指統一的空間數據庫，其中包括二維基礎數據、二維專題數據、三維數據等數據內容；一平臺指全區統一的、權威的地理信息公共服務平臺，通過平臺可以為全區各委辦局提供各種數據服務；Ｎ個典型應用指結合區縣各自的需求特點，建立Ｎ個服務區縣實際需要的應用系統。

其中，三維數據作為一庫中的組成部分，由于其直觀性、客觀性和真實性，成為數字城市建設的重要組成部分。在數字城市建設中，三維模型數據的獲取主要采取以下技術方式:采用傳統手工三維建模得到三維精細模型，以三維激光掃描方式實現三維超精細建模，以傾斜攝影測量的半自動建模方式實現快速建模。本文將逐一闡述三類建模技術具體的實現方式和應用方式。

一、傳統手工三維建模技術

傳統的三維手工建模方式可分為三維地形模型、三維灰體模型、三維精細模型等３類。

１ 三維地形模型的制作

三維地形模型是在已有DEM基礎上疊加DOM影像，通過地形生成軟件將兩者組合，生成三維地形模型。

2 三維灰體模型的制作

三維灰體模型是利用地形圖建筑物矢量數據和建筑物高度信息及三維模型軟件自動生成。

3 三維精細模型的制作

三維精細模型是基于1:500比例尺地形圖和高分辨率DOM影像數據獲取地物的精準平面位置，通過航測內業獲取地物主體頂部精準高程。采用外業采集地物紋理照片，使用photoshop軟件進行紋理照片的處理,使用3ds Max軟件進行手工模型制作。最后，將三維地形模型和三維精細模型進行場景整合。

目前，已經應用手工三維建模的方式完成了城市的三維建模工作，這種模型的優點是測量精度高、場景真實度高、對象已單體化；缺點是建模周期長，難以滿足數字城市、智慧城市等應用對三維數據的時間需求。

二、三維激光掃描建模技術

有些地物自身復雜度高且三維可視化要求高，傳統手工三維建模方式就不能滿足其建模要求，此時需要利用三維激光掃描的方式完成工作，如歷史文化保護建模、舊有鋼廠地上管線建模、復雜立交橋建模工作等。三維激光掃描建模方式可分為定點三維激光掃描和車載激光掃描，其技術原理相似，只是載體方式不同而產生的工作方式不同。

1 定點三維激光掃描技術

定點三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。利用該項技術進行了三維模型的建設，效果較好。

2 車載激光掃描技術

車載激光掃描技術是通過將激光掃描儀置于移動平臺之上進行作業的方式。車載激光掃描測量系統包括:移動平臺、POS系統(位置姿態測量系統)或導航傳感器、測量系統３個基本部分。移動平臺一般是汽車、船舶等用于承載移動測量系統的裝置。車載激光掃描儀器可以在短距離內作業，采集速度快、精度高、密度大，由于其可沿著街道快速行駛，從而可以快速獲取街道兩側地物的幾何信息和紋理信息，目前已經成為城市空間信息快速獲取的主要手段之一。

通過上述方式，可以快速獲取三維點云數據和紋理信息，從而快速得到復雜結構的三維模型，如立交橋。同時，還可以快速獲取街景數據，是一種有效獲得城市空間信息的方式。目前，已經應用車載激光掃描方式獲得了城市主要街道街景數據和四環內所有立交橋的三維精細模型。

通過三維激光掃描方式完成的三維數據模型工作，其優點是三維模型精度高，缺點是造價高，掃描后的數據后期處理工作量大。因此，此種方式主要用于超精細化的三維建模和復雜結構的三維建模。

三、基于傾斜攝影測量的半自動建模技術

基于傳統手工三維建模和三維激光掃描技術主要解決模型的精細和超精細的問題，但城市空間信息很多時候有快速獲取的要求，因此，為了達到三維模型快速獲取的目標，引入了傾斜攝影測量技術。原則上，傾斜攝影測量技術屬于機載三維激光掃描的一種。

基于傾斜攝影測量技術的半自動建模方式可以分為低空傾斜攝影測量建模和中高空傾斜攝影測量建模。其技術原理相同，只是采用不同航高、不同機型載體，實現不同范圍的三維建模。

首先，用機載LiDAR獲取建筑頂部和側部的激光點云，得到描述建筑物整體框架的激光點云數據，用于制作建筑體框模型；使用傾斜和垂直相機分別采集地物影像，通過程序半自動匹配實現紋理貼賦，完成建筑精細模型制作。其關鍵技術包括點云的分類算法、點云數據與處理、點云數據建模方法、POS數據解算、傾斜影像空間三角測量、密集匹配、遮擋檢測、紋理選取和紋理映射等。

低空的傾斜攝影測量建模工作主要采用旋翼機完成社區級別的三維建模工作，一般航高在100~200m之間，模型精細度高、建模速度快。中高空傾斜攝影測量建模工作主要采用大飛機作為主要載體完成區縣級別范圍的三維建模工作，航高一般在1500~3000m之間。目前，采用六旋翼低空傾斜攝影測量技術實現了某社區的快速三維建模工作，主要輔助于查處違法建設工作，對于一些隱蔽性好、難以入門的違法建設采用此方法，直觀而高效。同時，采用Ａ3相機完成了某區的快速三維建模，用于記錄城市變遷。基于傾斜攝影測量技術的半自動建模方式獲取三維模型數據方式的優點是建模速度快、現實感強，缺點是對象單體化困難，只滿足瀏覽需求，數據編輯與疊加難度高。

四、應用案例

1 應用于歷史文化保護

應用傳統手工三維建模和三維激光掃描的方式對城市區歷史文化保護區域進行三維建模，完成舊城保護的信息化措施。建設的三維模型數據用于數據瀏覽、分析，并與其他二維數據疊加分析舊城保護策略。

2 應用于教育

應用傳統手工三維建模的方式，基于Unity 3D平臺，實現城市小學的室內三維建模工作。基于此室內三維模型疊加管線等數據，實現應急路線規劃、設施管理等具體應用。

3 應用于經濟發展

結合科技園區的經濟發展需求，應用全三維模式建設了規劃土地、企業統計、產業布局、項目管理、招商宣傳等９個業務系統，在三維模型數據的基礎上，疊加經濟業務數據，實現業務和位置雙直觀的方式，而且針對中關村展示廳的需求，利用傳統手工建模實現了室內展廳的建模工作，展示和分析的效果很好。

來源：測繪通報

作者：關麗，女，博士，高級工程師，研究方向為空間數據分析與應用。E-mail:binger02600@163.com