数字城市中街道景观主体三维可视化的快速实现研究

【摘要】：数字城市的概念,正如数字地球概念一样,目前尚无公认的严格定义。实际上,数字城市指的是信息化的城市,是现实城市的虚拟对照体。数字城市是综合运用3S(RS、GIS、GPS)、网络和虚拟仿真等技术对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策支持的技术服务系统。在中国,许多大城市提出了建设数字城市的设想,如:数字北京、数字上海、数字广州等。2000年5月13日,国内一百座城市的市长和一百家IT精英企业的代表齐聚北京“二十一世纪数字城市论坛”,共商我国发展“数字城市”战略,专家预测,中国的城市化水平的提高不单意味着城市数字的增加,更意味着城市管理质量的提高,开发与实施城市规划、建设、管理与服务的数字化工程变得势在必行,在国家制定的有关“十五”科技攻关计划和规划中,运用现代手段对城市规划手段对城市进行规划、建设和管理,建设数字化城市工程将是其中的一项重要内容。数字城市符合中国目前工业化和信息化发展的现状,在中国现代化建设中具有重要的意义。三维城市模型(3-Dimensional City Model,简称3DCM)的构建是实现数字城市的基础步骤。随着城市规划、建筑景观设计、三维导航等应用对城市真三维景观的需要,建立镶嵌有影像纹理的真实感城市三维模型正凸现出较高的经济价值和应用前景。 在数字城市中,街道是研究的主要对象,其原因在于城市中的街道绝不仅仅是连接两地的通道,在很大程度上还是人们公共生活的舞台——观光的游客沿着街道观察了城市,认识了城市,当地的居民习惯性地在街道上活动并感受着街道及其周围环境,因此,从某种意义上来说,人们对城市景观最直接最经常的感受即来自于街道。因此如何快速地实现街道景观的三维可视化对于三维城市建模而言是具有重大意义的。街道的景观主要包括主体景观(如沿街建筑立面、街道路面等)以及细部景观(人行天桥、行树、花坛、灯箱广告、路灯等等)两部分。所谓建筑立面,一般意义上指的是建筑的外墙所呈现的界面。在三维城市建模过程中,地形纹理和建筑物顶部纹理可以很容易地从航空影像上获取,而建筑物立面纹理仍然需要靠人使用数码相机去拍摄。由于影像之间通常是没有索引关系的,所以需要人为地查找照片、预处理照片和指定建筑物与照片的对应关系,这样就存在效率低下、人工劳动强度高的问题。因此如何快速而且真实地恢复沿街建筑立面是亟待解决的问题。同时对于街道景观的其它部分,如细部景观,街道路面等的三维恢复也是目前数字城市中研究的热点。视频资料的获取具有方便、快捷的特点,而且从中可提取出密集的序列影像,包含了丰富的纹理信息,因而基于视频序列影像的应用研究日益成为摄影测量和计算机视觉的热点。目前作为城市三维建模的数据源的主要是直升机载视频序列影像以及地面视频序列影像。直升机载序列影像适用于大场景的三维城市建模,然而其影像的获取仍然具有一定的局限性,不仅经济成本较高,同时天气状况以及城市低空高度限制对于影像质量也具有相当的影响,而且建筑墙面纹理的几何变形非常大。地面(如车载等)视频序列影像的获取具有经济快捷的特点,同时因为提取出的序列影像清晰度高,也弥补了航空影像和直升机载影像建筑墙面纹理清晰度低和几何变形太大的不足。车载序列影像是地面视频序列影像中最常用的一种,所以对于车载序列影像的快速纹理处理将有助于解决三维城市建模中街道景观三维可视化的问题。 本文涉及的主要研究内容集中在两个方面:(1)基于侧拍的车载序列影像快速重建沿街建筑立面,包括序列影像的预处理,墙面纹理的恢复以及沿街建筑立面的三维恢复三方面;(2)沿主光轴方向的车载序列影像为街道景观中街道路面和细部景观的重建提供了理想的数据源,因此本文对沿主光轴方向的车载序列影像的处理中涉及摄影测量问题进行了初步的研究,包括视差、相对定向、前方交会以及单像空间后方交会等方面,并且对基于沿主光轴方向序列影像的路面纹理恢复进行了研究。本研究力图将计算机视觉、图像处理和摄影测量中的经典理论、方法有机、合理的结合起来意在提供一种突破原有传统近景摄影测量思路的快速重建沿街两侧建筑立面的方法:对