城市GIS城市地理信息系统技术与方法

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 G

2、IS中的中的DEMDEM。 （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

3、自动的方式借助软件基于 影像获取（以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

4、表达建筑物外形特 征。征。 （2 2）利用航空影像进行交互式获取。）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

5、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，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。

6、（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：一种是利用空间数据编辑处理和

7、成图的两种模式：一种是利用 AutoCADAutoCAD图形软件进行图形的处理和制图，另一图形软件进行图形的处理和制图，另一 种是自行编制数字制图软件进行空间数据处理和制种是自行编制数字制图软件进行空间数据处理和制 图。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

8、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：GPS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

9、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，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

10、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接收机天线所在接收机天线所在 位置的三维地心坐标位置的三维地心坐标 Z Y X 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：一般先将灰度影像变换自动（半自动

11、）矢量化：一般先将灰度影像变换 成二值影像，二值影像自动（半自动）矢量化的方成二值影像，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、矢法有多种，一般包括细化、断线连接、去毛刺、矢 量跟踪等。量跟踪等。 交互式矢量化：采用人机交互的方式，对地图上交互式矢量化：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。当线划的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，到不能跟踪的位置状态较好时，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。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

12、（1 1）点坐标数据）点坐标数据+ +高程数据：用于构造树木、路牌、高程数据：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：用于构造栅栏、宣传高程数据：用于构造栅栏、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：普遍适用于地面、高程数据：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：用于构造较为复杂的模高程数据：用于构造较为复杂的模 型。利用这种数据可以构造河堤岸

13、（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（DLGDLG） 高精度激光扫描仪（如高精度激光扫描仪（如Airborne ScannerAirborne Scanner、 Laser FaLaser Faade Scannerade 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

14、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

15、Surface ModelModel，DSMDSM）的高精度实时获取。）的高精度实时获取。 GPS INS 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，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

16、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DSM

17、DSM，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 Apertu

18、re 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