城市GIS_城市地理信息系统的技术及方法

1、 数字线划数据数字线划数据 影像数据影像数据 数字高程模型数字高程模型 地物的属性数据地物的属性数据数字线划数据：是将空间地物直接抽象为点、线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。 影像数据：包括遥感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像 数字高程模型：即三维地形数据，实际上是地表物体的高程信息属性特征：是在虚拟现实系统中构建城市三维模型所必需的信息 DEMDEM数据获取数据获取 建筑物高度数据获取建筑物高度数据获取 三维对象几何要素数据获取三维对象几何要素数据获取 纹理数据获取纹理数据获取 DEMDEM数据获取数据获取（1 1）直接使用）直接使用2D GIS2D GIS中的中的D

2、EMDEM。（2 2）通过数字摄影测量系统，处理航摄影）通过数字摄影测量系统，处理航摄影像（包括高分辨率遥感影像）生成。像（包括高分辨率遥感影像）生成。（3 3）由机载激光扫描系统直接扫描并经后）由机载激光扫描系统直接扫描并经后续处理得到。续处理得到。（4 4）用合成孔径雷达（）用合成孔径雷达（SARSAR）获取数字高）获取数字高程模型。程模型。二二. . 建筑物高度数据获取建筑物高度数据获取（1 1）在）在2D GIS2D GIS数据库基础上按层数粗略求数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度。算建筑物高度。（2 2）用人工或半自动的方式借助软件基于）用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取（以

3、建筑物屋顶数据为主）影像获取（以建筑物屋顶数据为主） （3 3）以研究算法为主，从影像中直接提取）以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。建筑物高度以及其他信息。 （4 4）用机载激光扫描仪结合空中影像，经）用机载激光扫描仪结合空中影像，经过算法处理提取建筑物高程、纹理以及其它过算法处理提取建筑物高程、纹理以及其它数据。数据。 三三. . 三维对象几何要素数据获取三维对象几何要素数据获取（1 1）将）将2D GIS2D GIS中的建筑物轮廓线与建筑物中的建筑物轮廓线与建筑物高度结合，用简单几何体表达建筑物外形特高度结合，用简单几何体表达建筑物外形特征。征。（2 2）利用航空影像

4、进行交互式获取。）利用航空影像进行交互式获取。（3 3）使用航空影像以及地面摄影对建筑物）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。特征线进行自动提取。（4 4）在地面使用激光扫描仪与）在地面使用激光扫描仪与GPSGPS，通过，通过测距求算获取。测距求算获取。三三. . 三维对象几何要素数据获取三维对象几何要素数据获取（5 5）采用近景摄影测量方法，获取建筑物）采用近景摄影测量方法，获取建筑物的几何形状数据。它不仅可以获取建筑物外的几何形状数据。它不仅可以获取建筑物外部的几何形状信息，也可以测量其内部几何部的几何形状信息，也可以测量其内部几何信息，适用于对单体建筑的量测。对于获取信息

5、，适用于对单体建筑的量测。对于获取结构复杂的建筑物，如古建筑的数据也是一结构复杂的建筑物，如古建筑的数据也是一种比较理想的选择。种比较理想的选择。（6 6）使用高分辨率卫星影像进行建筑物的）使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。高分辨率卫星影像的出现，使得自动提取。高分辨率卫星影像的出现，使得人们很容易快速获取一个实时的、不低于人们很容易快速获取一个实时的、不低于1m1m分辨率的城区影像图。分辨率的城区影像图。四四. . 纹理数据获取纹理数据获取（1 1）由计算机作简单模拟绘制。）由计算机作简单模拟绘制。 （2 2）地面摄影像片直接提取。）地面摄影像片直接提取。（3 3）根据航摄像片由计算

6、机生成。）根据航摄像片由计算机生成。 （4 4）由空中影像获取。这种方法主要用来）由空中影像获取。这种方法主要用来获取地面影像。获取地面影像。W 全站仪测量全站仪测量W GPSGPS测量测量W 全站仪测量全站仪测量Win-Win-全站仪全站仪NTS-202W/205WNTS-202W/205W全站仪是电子经纬仪和激光测距仪的集成，它可以同时测量空间目标的距离和方位数据，并且进一步得到它的大地坐标数据 W 全站仪测量全站仪测量空间数据编辑处理和成图的两种模式：一种是利空间数据编辑处理和成图的两种模式：一种是利用用AutoCADAutoCAD图形软件进行图形的处理和制图，另图形软件进行图形的处理和

7、制图，另一种是自行编制数字制图软件进行空间数据处理一种是自行编制数字制图软件进行空间数据处理和制图。和制图。 室内 野外全站仪全站仪电子手簿电子手簿坐标数据坐标数据计算机计算机编辑处理编辑处理空间数据空间数据W 全站仪测量全站仪测量电子平板仪的测量示意图电子平板仪的测量示意图电子平板：将便携机直电子平板：将便携机直接与全站仪相连，测量接与全站仪相连，测量的结果直接显示在屏幕的结果直接显示在屏幕上。在野外直接进行空上。在野外直接进行空间目标的图形连接和编间目标的图形连接和编辑处理，然后进行符号辑处理，然后进行符号化、注记与制图。化、注记与制图。 W GPSGPS测量测量GPS由三大部分组成：GP

8、S卫星（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分）虚拟城市建设所要解决的问题之一，是采集、存储、管理及应用空间数据，而GPS正具有提供空间数据的功能，可以实时、快速的提供地物目标的空间位置。W GPSGPS测量测量GPS由24颗卫星构成，其中有3颗备用卫星，这就是21+3模式，他们分布在6条轨道面上，在距离地面大约20183KM轨道高度上以每日绕地两周运行着。6条轨道按轨道面夹角60间距分开。每条轨道与赤道面的交角为55，轨道形状近似圆形，每条轨道上有4颗卫星 GPS卫星轨道分布W GPSGPS测量测量GPS地面监控站分布网络GPS控制系统包括监控站、上行注入和主控站，

9、均设在美国国内，主控站设在美国本土科罗拉多斯本士（Colorado Springs）的联合执行中心CSOC；三个注入站分别设在印度洋美军基地狄哥伽西亚（DIgeo Carcia）、大西洋美军基地阿松森（Asencion）和太平洋美军基地卡瓦加兰（Kwajalein），此外还在夏威夷设有监测站 W GPSGPS测量测量如果接收机能够同时接收如果接收机能够同时接收4 4颗以上的卫星信号，如右图颗以上的卫星信号，如右图所示。根据三维空间后方交所示。根据三维空间后方交会原理，由卫星的位置和接会原理，由卫星的位置和接收机与卫星的距离，即可以收机与卫星的距离，即可以计算出计算出GPSGPS接收机天线所在接

10、收机天线所在位置的三维地心坐标位置的三维地心坐标 ZYX GPS测量的原理W 手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化W 地图扫描矢量化地图扫描矢量化W 扫描数字化扫描数字化W 扫描数字化扫描数字化地图扫描数字化可以有两种方式：自动（半自动）地图扫描数字化可以有两种方式：自动（半自动）矢量化和交互式矢量化。矢量化和交互式矢量化。 自动（半自动）矢量化自动（半自动）矢量化：一般先将灰度影像变：一般先将灰度影像变换成二值影像，二值影像自动（半自动）矢量化的换成二值影像，二值影像自动（半自动）矢量化的方法有多种，一般包括细化、断线连接、去毛刺、方法有多种，一般包括细化、断线连接、去毛刺、矢量跟踪等。矢量跟踪等。

11、 交互式矢量化交互式矢量化：采用人机交互的方式，对地图：采用人机交互的方式，对地图上的每个图形实体逐条线划进行矢量跟踪。当线划上的每个图形实体逐条线划进行矢量跟踪。当线划的状态较好时，计算机自动跟踪，到不能跟踪的位的状态较好时，计算机自动跟踪，到不能跟踪的位置停止，然后人机交互，再继续往前跟踪。置停止，然后人机交互，再继续往前跟踪。W 扫描数字化扫描数字化 （1 1）点坐标数据点坐标数据+ +高程数据高程数据：用于构造树木、路牌、：用于构造树木、路牌、旗杆、路灯等呈点状分布的模型。旗杆、路灯等呈点状分布的模型。（2 2）折线坐标数据折线坐标数据+ +高程数据高程数据：用于构造栅栏、宣传：用于构

12、造栅栏、宣传栏等呈线状分布的模型。栏等呈线状分布的模型。（3 3）平面多边形数据平面多边形数据+ +高程数据高程数据：普遍适用于地面、：普遍适用于地面、房屋、草坪、道路等模型的建立。房屋、草坪、道路等模型的建立。（4 4）三角串数据三角串数据+ +高程数据高程数据：用于构造较为复杂的模：用于构造较为复杂的模型。利用这种数据可以构造河堤岸（高程不同）和体型。利用这种数据可以构造河堤岸（高程不同）和体育场跑道（高程相同）等模型。育场跑道（高程相同）等模型。 数字高程模型（数字高程模型（DEMDEM） 正射影像（正射影像（DOMDOM） 数字栅格图（数字栅格图（DRGDRG） 数字线划图（数字线划图

13、（DLGDLG） 高精度激光扫描仪（如高精度激光扫描仪（如Airborne ScannerAirborne Scanner、Laser Faade ScannerLaser Faade Scanner）能够获取物体表面高）能够获取物体表面高解析度的数字距离影像，影像中包含被扫描物解析度的数字距离影像，影像中包含被扫描物体大量的球面坐标信息，这些坐标可转换到笛体大量的球面坐标信息，这些坐标可转换到笛卡尔坐标系中，并进一步作用于有关的三维应卡尔坐标系中，并进一步作用于有关的三维应用。用。 将将GPSGPS、惯性导航系统（、惯性导航系统（INSINS）和扫描激光测）和扫描激光测距仪进行集成，则组成机

14、载激光扫描制图系统距仪进行集成，则组成机载激光扫描制图系统（Airborne Scanning Laser Mapping SystemAirborne Scanning Laser Mapping System），），可进行大范围数字地表模型（可进行大范围数字地表模型（Digital Surface Digital Surface ModelModel，DSMDSM）的高精度实时获取。）的高精度实时获取。 GPSINS地形表面激光测距激光测距成像光谱成像光谱像元匹配点像元匹配点三维成像仪的原理示意图A L -Hi GPSGPS能测得三维成像仪在空中的精确三能测得三维成像仪在空中的精确三维位置

15、，姿态测量装置能测出它的姿态维位置，姿态测量装置能测出它的姿态参数，扫描激光测距仪可以精确测定成参数，扫描激光测距仪可以精确测定成像中心到地面激光采样点的距离，根据像中心到地面激光采样点的距离，根据几何原理就可以计算出地面激光采样点几何原理就可以计算出地面激光采样点的三维位置。的三维位置。 扫描成像仪同步获取地面的扫描图像，扫描成像仪同步获取地面的扫描图像，而且扫描成像仪和扫描激光测距仪在硬而且扫描成像仪和扫描激光测距仪在硬件上共用一套扫描光学系统而组成扫描件上共用一套扫描光学系统而组成扫描激光测距激光测距成像组合传感器（成像组合传感器（AL-HiAL-Hi），），从而保证地面的激光点和图像上

16、的某些从而保证地面的激光点和图像上的某些像元点严格匹配，即在获取地面点的图像元点严格匹配，即在获取地面点的图像同时还获取该点到成像仪的激光距离像同时还获取该点到成像仪的激光距离值。在后续处理中，激光采样点作为控值。在后续处理中，激光采样点作为控制点就可以生成制点就可以生成DSMDSM，也可以纠正同步，也可以纠正同步获取的遥感图像。获取的遥感图像。 DEM+CCD影象合成孔径雷达（合成孔径雷达（Sythetic Aperture RadarSythetic Aperture Radar，SARSAR）是一种全天时、全天候的微波成像是一种全天时、全天候的微波成像雷达，不仅可以详细的、较准确的观测地

17、雷达，不仅可以详细的、较准确的观测地形、地貌，获取地球表面的信息，还可以形、地貌，获取地球表面的信息，还可以透过地表和自然植被收集地表下面的信息。透过地表和自然植被收集地表下面的信息。 干涉合成孔径雷达（Interferometric Sythetic Aperture Radar，INSAR）是SAR的一种新机制，可以用于获取地球表面高分辨率的三维地形图或等高线图，监视一些自然现象导致的变化。干涉SAR是将雷达系统对同一区域的“两次”观测获得的数据结合起来，根据干涉原理，利用其相位差获得更多的地表信息，如地表高度、地表覆盖物的微小变化。 从单幅雷达影像提取地面高程信息从单幅雷达影像提取地面高

18、程信息复雷达图象复雷达图象轨道轨道 1图象配准图象配准复共轭乘积复共轭乘积干涉图干涉图DEM轨道轨道 1成像参数成像参数轨道轨道 2成像参数成像参数相位解缠相位解缠复雷达图复雷达图轨道轨道 2 数字近景摄影测量系统包括：影像获取、特征检测、影像相关、解析处理及产品输出及各部分。 不仅适用于建筑物外部数据的几何和纹理数据的获取，也适合于建筑物内部（如房间、走廊等）数据的获取，解决了建立深层次3D城市模型所存在的建筑物内部数据获取困难的问题。 Gunter Pomaska（1996）提出了基于多影像摄影测量的3D模型的建立方法。根据地面摄影测量和航空摄影测量组合获取3D城市模型数据，然后利用Aut

19、oCAD建立建筑物三维模型，再对其进行真实像片纹理映射，生成高度真实感纹理3D模型； Claus Brenner et al.（1998）提出了（地形图、地籍图）+（激光扫描）+（近景摄影测量）的多数据源组合建模方法，即从平面图（地形图、地籍图）和空中激光扫描的数字表面模型中获取建筑物3D几何数据，近景摄影测量获取建筑物立面像片纹理数据，用CSG法进行3D重构所得到的3D几何模型附以纹理映射，从而形成建筑物的照片纹理真实感3D模型； V.A.Knyaz（1998）提出了一种根据激光扫描仪获取的3D模型建立真实纹理的方法（激光扫描+近景摄影测量），用静态或动态摄像机获取3D距离模型的纹理Intensity