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利用DSM检查三维建筑物主体高度的方法研究张芬（上海市测绘院基础地理信息中心，上海市武宁路419号，200063）摘要：三维城市模型以其丰富的空间信息，真实直观的实物表达方式，引起越来越多GIS用户的重视。建筑物作为城市区域的一个重要特征,三维模型的建设以及模型的检查将显得非常重要。本文探讨了用DSM点云数据对三维建筑物的主体高度进行检查的方法，对DSM在三维GIS领域的新的应用进行了实验性的研究。关键词：三维城市模型(3DCM);建筑物;数字表面模型（DSM）;点云;模型检查;主体高度 The Method of checking primary building hight of three Dimensional City Model by DSM Zhangfen(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping，Shanghai 200063，China)Abstract: the Three Dimensional City Model is more and more important because it can show the word more impersonal and more actual.the buildings are a very import depart of a City,so it is important to check the building model.the paper discuss the method of checking the base building height by DSM ,which is valuable by using DSM in the field of Three Dimensional GIS。Key words： three Dimensional City Model(3DCM)；building；Digital Surface Model(DSM)；points cloud；Model check；base hight 1 引言随着城市信息化的不断深入发展，作为城市信息化建设的重要技术支撑之一的GIS技术，逐步由二维向三维发展。三维城市模型以其丰富的空间信息，真实直观的实物表达方式，使用户能够在空间的、立体的环境下对城市实体进行浏览、分析和决策。三维城市模型的建立对城市的数字化建设，规划管理，灾害评估等方面将发挥不可限量的作用。建筑物作为城市区域的一个重要特征,三维模型的检查以及模型的应用将显得尤为重要。目前，三维建筑物模型生产的数据源主要有：地形图和楼层，航空摄影测量数据，三维激光扫描数据，竣工测量数据等，不同的模型数据源对应不同的建模方法。三维建筑物模型在生产中由于数据源的多样化，数据源的现势性、建模方式以及人工干预的人为因素等影响，可能存在模型与实际建筑物不符合的建模误差。本文探讨了用DSM点云数据对三维建筑物模型的主体高度进行检查的方法，对DSM在三维GIS领域的新的应用进行了实验性的研究。2. DSM简介数字表面模型（Digital Surface Model，缩写DSM）是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和数字高程模型DEM相比，DEM只包含了地貌的高程信息，并未包含其它地物信息，DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地貌以外的其它地物信息的高程。在一些对建筑物高度有需求的领域，得到了很大程度的重视。 DSM表示的是最真实的地物表面的起伏情况，可广泛应用于各行各业。如在森林地区，可以用于检测森林的生长情况；在城区，DSM可以用于检查城市的发展情况。本文将结合实际方法阐述DSM在检查三维城市模型中建筑物主体高度中的应用。3 三维建筑物模型31三维建筑物模型管理方式目前，三维城市模型数据的管理方式主要采用文件和面向对象的关系型空间数据库两种方式，由于文件不利于模型的维护和更新，面向对象的关系型空间数据库将成为管理三维模型的主要方式。在三维模型数据库中，三维模型作为一个空间实体存储，不仅具有空间信息，还具有由该地物匹配的属性信息，例如ArcGIS平台，它提供了一种MultiPath数据模型，将模型的几何数据和纹理图片存储在同一个字段中，这种一体化的存储方式便于模型的分析管理与维护。本文以基于MultiPath数据模型的三维建筑物模型库为例，结合DSM点云信息，分析探讨一种检查建筑物模型主体高度的方法。32 建筑物主体本文中的建筑物主体的概念有别于建筑学上的定义，应该理解为建筑物的主要筑体，不一定是建筑物的最高面，而是除去尖屋顶，水箱，女儿墙，露台等一些附属设施后占建筑物大部分的筑体称为建筑物主体。由于建筑物结构的多样化以及复杂性，通过建筑物模型寻找建筑物的主体并获得建筑物主体的高度具有一定的难度。本文阐述的借助DSM数据检查建筑物主体高度的方法正是对这个课题的一个尝试。4检查方法概述 利用DSM数据检查三维建筑物模型主体高度，首先需要提取建筑物模型主体的有效三角形，确定建筑物模型主体，然后分割DSM点云数据，获得建筑物模型主体范围内的有效DSM点集，再利用有效DSM点云对建筑物模型主体三角形求竖距，分析竖距分布，得出检查结论。检查过程概图如图1所示，由于建筑物结构的多样化以及复杂性，本检查方法的难点在于如何获得建筑物模型的主体有效三角形。提取建筑物主体有效三角形提取建筑物有效DSM点云DSM分割建筑物模型分析点对面求竖距分析结论 图1 检查过程概图5 实验与分析本文阐述的检查方法能对一定范围区域内的批量建筑物进行主体高度的检查，下文以“赛博数码广场“建筑物为例，按步骤详细阐述用DSM点云数据检查三维建筑物模型主体高度的方法与原理。图2为“赛博数码广场“建筑物模型以及俯瞰图，三个层面的对应关系如图所示，本课题首先需要在建筑物模型的三个层面中找出建筑物主体。图2 赛博数码广场模型与俯瞰图51数据准备l DSM点云目前采用遥感方式获取城市高分辨率DSM有两种途径，一种是基于航测手段，通过空三解析，内插加密生成DSM；另一种是通过激光雷达，直接获取三维激光点云，经过滤波和坐标转换形成DSM。目前，三维模型的主流产品也主要通过以上两种途径获得。用于检查建筑物主体高度的DSM数据具有一定的特点，首先，DSM数据的现实性比较好，精度比较高。其次，在平面位置上DSM和三维模型的基准源相同，以此保证DSM和三维模型在水平平面内的误差在允许范围内。l 三维建筑物模型库三维建筑物模型以MultiPatch格式存储在大型Oralce数据库中。52提取建筑物模型主体有效三角形三维模型库中，建筑物多以MultiPatch格式存储，从几何意义上看，建筑物模型表面是由一个又一个的相互关联的，包含Z坐标信息的三角形面组成。建筑物的墙面以及屋顶的各个表面都是由这些三角形面相互连接组成，在本课题中，只有建筑物的屋顶表面三角形对计算建筑物模型的高度有一定的影响。如图3所示是赛博数码广场屋顶三角形与模型叠合的俯瞰图，可以看出，建筑物不同高度的屋顶由许许多多的三角形构成。 图3 赛博数码广场屋顶三角形与模型叠合的俯瞰图用数字表面模型检查建筑物模型主体高度，首先要获得建筑物模型主体的三角形。由于建筑物模型是由三角形集合组成的，在本文论述的方法中，笔者把能参与计算建筑物模型主体高度的三角形称为建筑物模型主体的有效三角形。确定有效三角形的筛选原则，准确进行有效三角形的筛选是本课题研究的重要环节。在本方法中，考虑到建筑物主体的特点，有效三角形的筛选原则确定为：l 墙面三角形在墙面上，对主体建筑物的高度计算没有意义，所以墙面三角形不作为有效三角形l 在一定Z值分布范围内，分布个数较多的三角形可能是有效三角形l 在一定Z值分布范围内，有效三角形集所占的面积最大所以，在本方法中，按照上述原则，按如下步骤提取建筑物模型主体有效三角形。1. 首先要剔除掉墙面三角形根据三角形的三个顶点坐标求出三角形面方程，面方程的数学表达式为aX+bY+cZ+d=0; 将三角形的三个点坐标带入方程，求参数a,b,c.当参数c接近零时，断定该三角形为墙面三角形，墙面三角形不参与计算。2. 根据三角形顶点Z坐标的最大值，获取落在一定Z值分布范围内个数较多的三角形集合。先求出所有非墙面三角形顶点的最大Z值的分布，确定分布范围，统计落在分布范围内的三角形个数，取分布个数较多的几个三角形集合作为候选主体有效三角形集合。3. 获取面积最大的三角形集合比较步骤2中获得的多个三角形集合中的三角形面积和，取面积最大的那个三角形集合为建筑物主体三角形。 按照该方法获得了“赛博数码广场”的建筑物模型主体表面的有效三角形，从而获得了建筑物的主体。如图4所示，赛博数码广场的主体有效三角形与模型叠合的俯瞰图。 图4 赛博数码广场主体的有效三角形与模型叠合的俯瞰图53提取建筑物有效DSM点云 根据5.2中确定的建筑物模型的有效三角形，进一步提取属于建筑物有效三角形范围内的点云，这样的点云相对于这个建筑物模型而言，为建筑物模型的有效点云。 主要步骤如下： 1DSM分割 DSM 数据一般为某一片区域的表面模型，具有较大数据量，因此在计算某一栋建筑物的主体高度时，需要对DSM数据作分割，获得建筑物的表面模型数据。笔者按照MultiPatch模型中“赛博数码广场”的外包矩形的范围，对DSM影像进行分割，以获得“赛博数码广场”平面位置范围内的DSM点集。 2有效点云筛选 读取分割后的一栋建筑物对应的DSM数据，参照它的每个有效三角形的外包矩形范围，对DSM再次进行筛选，最终获得建筑物的有效DSM点云，如图5所示。 图5 赛博数码广场DSM点云54 计算分析在获得有效三角形以及有效三角形范围内的有效DSM点云之后，后面的步骤将进行计算分析。在本方法中，以有效DSM点云对有效三角形求竖距，这里求得的竖距就是模型与点云在竖直面上的差距，可以作为评价模型主体高度是否正确的指标。竖距求得之后，设置有效的阀值，统计竖距的分布，分析建筑物模型的主体高度是否正确。在计算分析阶段，主要有两个环节比较重要：1 .确定阀值现实建筑物构造时，一层楼高大概是3m左右，水箱之类的附属物大致是2m左右，女儿墙大致是1m左右，在方法中，笔者基于对建筑物实际结构的考虑，分别对竖距的阀值设置了1m，2m，3m三个阈值，进行竖距的分布统计。2确定分析标准通过计算竖距，统计竖距的分布，笔者认为，大部分竖距分布在3m以上的建筑物，可以判定该建筑物模型的主体高度存在错误。 在例子所示的建筑物中，大部分竖距都分布在3m以上，通过本方法断定这个建筑物模型的主体高度有错，结论与现实情况相符。6结论本文阐述的检查方法能对一定区域范围内的批量建筑物模型主体高度进行检查，对于建筑物的主体高度的建模错误检出率达到99%以上，大大降低了人工检查模型的劳动强度。如果将此方法进行拓展应用，对城市的管理与规划，消防救灾等与建筑物高度密切相关的领域将起到很大的推动作用。 根据DSM数据的现势性，本方法可以拓展应用于不同的领域。当DSM数据与建筑物三维模型的生产源数据属于同一批次的数据源时，本方法可以用来检查和纠正建筑物模型的主体高度，使建筑物模型能更好的利用于城市规划管理、消防救灾等领域，当DSM数据比建筑物三维模型的生产源数据新时，本方法能检查出建筑物的拆除和新建情况，指导城市的规划与建设。本方法充分挖掘DSM数据，深入拓展DSM应用领域，将DSM数据与城市三维模型进行了有机的锲合，对促进智慧城市建设以及城市三维模型的建设与应用起到了较大的促进作用。参考文献：1 曹敏，史照良，沈泉飞. 基于高精度DSM 的建筑物三维几何模型构建.测绘通报.2011年第10期.2 谭仁春，江文萍，杜清运. 三维GIS中建筑物的若干问题探讨.测绘工程。2003年第1期3 穆利娜，李发红.城市DSM的获取技术与应用.陕西师范大学学