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摘要：三维立体景观设计是数字城市的重要载体，在优化城市景观布局、协调城市整体发展规划、调动市民参与城市建设的积极性等方面具有积极意义。本文提出了一种基于立体正射影像对的三维立体景观设计方法，实现以可量测的形式快速构建三维立体景观模型，基于VS2012开发环境，开发了对应的软件系统。以某三线城市为案例验证表明该方法具有效率高、三维真实感强、可视化等优势，满足三维立体景观设计的一般性需求。
关键词：立体正射影像对；三维立体景观；三维坐标量测；可视化；系统开发
数字城市涉及大规模存储技术、遥感技术、图像处理技术、三维图像建模技术等，对城市进行多角度、全方位、可视化描述，实现城市过去、现在、未来的数字化表征。数字城市包含多个层次，但其基础是城市地理空间数据集合[1-3]，而三维立体景观作为城市地理空间数据集合的重要组成部分，三维立体景观设计方法研究对加快我国城市数字化进程具有现实意义。传统的三维立体景观设计方法多集中于实际地物的信息采集与三维建模或者借助三维建模软件进行虚拟化实现，针对小范围或者单独的三维立体景观设计，上述方法具有较好的可行性，但是针对大规模、协调性的城市全域三维立体景观设计，传统方法效率较低、整体把握性差、抽象性不足、可扩展性较差，无法满足要求日益提高的城市三维立体景观整体布局设计需求[4]。基于上述背景，利用立体正射影像对的三维可量测、立体观测性强、全域描述性等特性，提出了一种基于立体正射影像对的三维立体景观设计方法，核心步骤包括原始遥感图像的预处理、数字高程模型（DEM）的构建、正射影像对的生成、三维立体景观的生成等步骤，为了便于推广使用，在VS2012[5]环境下开发了对应的软件系统，输入城市相关参数即可便捷的给出城市三维立体景观设计方案。选取国内某三线城市，对基于立体正射影像对的三维立体景观设计方法进行实际验证，验证结果表明，基于立体正射影像对的三维立体景观设计方法可实施性较好，对协调城市整体三维立体景观布局、优化城市景观环境具有重要作用。
1城市原始遥感图像的预处理与空间定位
通过遥感技术获取的城市原始图像存在周期性的噪声和大量冗余、山体阴影等，为了实现遥感图像的精确空间定位，需要对城市原始遥感图像进行预处理[6]。针对周期性的噪声和大量冗余问题，采用带通或者槽形滤波器进行滤波处理；针对山体阴影问题，采用比值法对其进行消除。基于Matlab环境[7]，对上述过程进行编码实现。遥感图像处理完成后，需要进行空间定位，考虑到目标城市的规模和具有标识意义的地表建筑，采用基于遥感图像线特征提取的三维空间定位法，具体步骤如下：S1：选择经过预处理后的遥感图像中带有标识意义的地表建筑，可以选取道路、河流、广场等，对这些地表建筑进行线特征提取；S2：对提取到的线特征进行图像增强、边缘细化、边缘追踪、中心点定位等处理，保证线特征长度、拐角数目等满足线特征的阈值要求；S3：对满足阈值要求的线特征进行实际匹配，先进行层次匹配，然后进行检测匹配，所有匹配完成后形成匹配集；S4：根据匹配集进行遥感图像的定位。
2数字高程模型（DEM）的构建与正射影像对的生成
数字高程模型（DEM）采用一组有序的数值阵列来描述地面高程的实体模型，该实体模型包括数字化的各种地貌因子，包括起伏度、起伏变化率、坡向、坡度在内的线性和非线性组合的空间分布值，是生成正射影像对的基础[8-10]。基于构建效率和光滑度的考虑，采用克吕金内插法来构建数字高程模型，详细过程如下：S1：基于遥感图像的定位数据集，绘制出遥感图像的定位分布散点图；S2：根据分布散点图的分布样点数和均匀程度，选择常规克里金插值或者块克里金插值法，根据采样点间的距离和采样点的整体空间分布情况进行合理插值；S3：根据生成的DEM范围，进行样点数据集的外接矩形绘制，最终生成数字高程模型；S4：对生成的数字高程模型进行标记处理，标记出低洼地带并检查是否有失真现象。数字正射影像具有精确的平面位置，包含有完整而丰富的影像信息，具有较强的二维直观性，为了把这种优势扩展到三维，引入人工视差辅助机制，把具有明显优势的数字正射影像与数字高程模型下的立体辅助影像进行组合，形成立体正射影像对，从而实现具有直观性的高精度的三维立体景观。如图3所示，左图用于生成数字正射影像，方法是根据数字高程模型上的定位高程值映射到遥感图像上，根据控制点坐标进行数字影像内定向，最后按图廓线裁切得到一幅数字正射影像图，并进行地名注记、公里格网和图廓整饰等。右图用于构造虚拟的立体模型，根据数字高程模型给出的起伏度、起伏变化率、坡向、坡度等地形情况引入人工视差，利用人工视差反应数字高程模型的地形起伏情况，从而形成一个立体辅助片，并与正射影像构成立体模型。
3三维立体景观的生成
根据上文生成的正射影像对进行三维立体景观的生成，基本原理是把正射影像对中的三维影像与三维立体景观进行映射处理，详细步骤如下：S1：根据城市三维立体景观设计需求制作对应的正射影像对并生成三维影像，作为三维立体景观设计的比照影像；S2：根据比照影像的地形起伏度、起伏变化率、坡向、坡度等情况，分别设计对应的三维立体景观与比照影像的地形起伏度、起伏变化率、坡向、坡度等相适应；S3：三维立体景观建筑物纹理优化和地表附属植物上色处理，为了使三维立体景观设计更具真实感，需要对建筑物纹理进行优化，纹理数据主要来源于城市实际建筑物，采用精细建模，确保获得较为逼真的表达效果，由于植物种类多样，颜色各异，为了协调三维立体景观的整体色彩，需要配置合适的植物种类，需要进行地表附属植物上色处理；S4：三维立体景观后期处理，根据城市布局，各方面意见等进行适当调整。基于上述方法，借助地面分辨率为0.5m的某三线城市卫星影像数据及其空间定位集参数，进行数字高程模型的构建与正射影像对的生成，生成的数字高程模型网格间距为12m，基于正射影像对，对影像上的标识建筑物进行三维坐标量测，形成精确的标识建筑物量测数据集，作为三维立体景观设计的数据参考集。以某三线城市某小区木质走廊三维立体景观设计为例，遵循上述方法，设计效果图如图4所示。从图4可以看出，三维立体景观设计效果较好，在视觉纹理性、真实感、色彩协调性等方面满足要求。
4三维立体景观生成软件设计
为了提高三维立体景观的设计效率，同时进一步实际验证上文所提方法的有效性和实用性，本文在vs2012环境下通过调用动态链接库文件（.dll文件，把立体正射影像对构建方法封装为动态链接库文件，供主界面调用）的形式开发了一款通用三维立体景观生成软件，该系统可以实现通用原始遥感图像的预处理与定位、数字高程模型的构建与正射影像对的生成、三维立体景观比照影像的生成与设计等功能，本文主要利用的是Windows7操作系统平台，采用的硬件设备CPU为英特尔酷睿i5，主频3.2GHz，系统运行内存为16GB，存储空间2TB，网络带宽18M独享。系统实际运行主界面如图5所示。
5结论
针对传统三维立体景观设计模式存在的效率低、真实感差、视觉纹理性差等不足，无法适应大规模城市三维立体景观设计需求等劣势，本文提出了一种基于立体正射影像对的三维立体景观设计方法，实现以可量测的形式快速构建三维立体景观模型并实现了一款新型的三维立体景观生成软件，以某三线城市某小区木质走廊三维立体景观设计为例，进行实际测试，实际测试表明，系统在功能上对打破传统三维立体景观设计模式、提高三维立体景观的设计效率具有积极意义，在性能上运行稳定，功能模块之间划分合理，较好地完成了预期设计目的，具有一定的实际推广价值。
作者:张敏 金花 单位:安徽工业大学 河海大学