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三维城市技术浅析和应用

时间:2017-04-07 来源:泰伯网 点击:
摘要: 城市三维技术主要是人工建模与倾斜摄影建模,但都无法解决模型应用中所需要的精度、效率等问题。

到了今天,三维城市,已经是智慧城市建设过程中不可或缺的部分,我们期望通过物联网感知现在,通过真三维空间的模拟预测未来。

  三维城市在智慧城市建设中遇到的瓶颈

  三维城市这个概念,人们探讨了十年,在若干年前就有了诸如日照分析、水淹分析、洪水模拟、噪音传播分析等各类应用。可是,所有城市级别的三维应用只应用于规划展示,就连最简单的光照分析,分析一个新建建筑对周边建筑的遮光影响,也没有应用到规划决策上,为什么呢?

  原因很简单,现在的城市级别的三维建模,缺少了两个最核心的东西:精度与效率。所有应用过度偏向了美观。

  现阶段建设的三维城市,看上去非常逼真,与你生活的城市一模一样,商店、告示牌、斑马线、屋内的窗帘,都是那么逼真。但是,当你拿着尺子去量测时会发现,现实中这栋楼高是168米,而模型中数据差异巨大。没有精度,在一个错误模型基础上分析出的数据,如何作为决策依据?

  目前主流采用的城市三维技术主要是人工建模与倾斜摄影建模。但这两种方式以现阶段的技术水平,都无法解决模型应用中所需要的精度、效率、单体化矢量化等各方面的问题。

  人工建模,只要有足够的时间与人才,我们可以将一个建筑描绘得无比逼真,只要想想电影特效,就能知道人工建模有多么精美,而人工建模的缺点是效率太低、费用太贵,且地理空间的绝对精度太差。在城市级别的三维模型建立上,若单纯采用人工建模,三年也未必能建好一座城市。

  倾斜摄影技术极大的提高了建模效率,采用倾斜摄影技术可以节省掉大量的人工工作。其数据处理有了较高的自动化,但是自动生成的三维模型为三角网模型,在三角网基础上很难进行自动单体化与矢量化,而三角网模型存在模型数据大、结构复杂的问题,在三角网模型上进行的三维分析(比如微环境分析、流体动力学分析)所产生的运算量巨大到极难实现。

  因此,目前大部分的倾斜三角网模型都需要进行后续的单体化、矢量化的操作,而这一步骤将耗费掉大量的人力与时间。

  建设一个500平方公里城市的矢量化单体化三维场景,快辄半年一年,慢辄两年三年,等模型建好,城市也变了。在应急、土方等小面积范围内,倾斜摄影技术有着独特的优势,但是城市级别的管理应用,不谈精度问题,单单是时效性,就很难满足城市管理应用要求。

  以激光雷达为主的三维城市特点

  倾斜摄影有着天然的缺陷,激光雷达也不是什么问题都可以解决,通过激光雷达为主、倾斜摄影为辅生成的三维城市,有几个特点:

  1.高精度

  城市模型可以达到高度精度10cm级别,在南方山区植被茂密的区域,建筑高度精度也能轻松达到30cm以内。

  2.高效率

  数据采集完成后到模型生成,以1000平方公里计算,不会超过一个月(白模)。辅助上激光雷达数据采集可以夜间进行,夜间可申请航线更容易且时间更长,且不受天气影像,多云多雾一样可以采集。因此,无论是激光点云的数据采集,还是建模速度,都将比常规方法大大提高。

  3.单体化、矢量化、可量测

  所有模型自生成之日起就是单体化可量测的矢量模型,无需人工二次描边。要知道一个城市的模型好不好,需要去掉色彩,单纯观看模型结构线,因为色彩的美观会隐藏掉很多不足的地方。

  4.低成本

  任何项目任何技术的推广应用,成本是最重要、最核心的要素之一。

  采用激光雷达技术,生产矢量化、单体化的三维城市模型,其数据采集成本与矢量化三维城市模型生产成本,都会低于传统人工方式与倾斜方式。

  5.数据衍生价值

  若采用单纯的人工建模或者倾斜摄影建模,抛开模型本身精度、单体化等问题不谈,花了100块钱,建立好的三维模型,仅仅只有一套成果。而采用了激光雷达为主的三维建模方式,建立好三维城市以后,抛开三维城市,激光雷达本身的原始数据,激光点云,还可以广泛的应用于农业、林业、电力、交通、国土、规划、地质、水利等多个行业。

  高精度三维城市的应用

  无论通过什么方式,只要满足了高精度、矢量化、单体化、可量测、高效率这些特点的三维城市,会有什么用处呢?

  一、可视化

  可视化是三维城市最基本的应用,用于规划展示、方案报批、政府宣传、城市形象设计等环节。

  二、城市风道模拟、风压分析

  通过物联网采集到城市各个位置的风向风力等参数,在真三维模型中可以模拟飓风穿过城市的衰减过程,及分析每个建筑面所承受的风压等参数。

  这个应用可在城市规划建设时对新建建筑预先进行风道分析,来模拟新建建筑对城市空气流通是否起到了促进作用,为雾霾防治提供支持。

  同时也可在台风来临时分析危险建筑,对承受风压过强的建筑进行提前防范,同时可以在真三维模型中进行微环境模拟,为雨岛分析、热导分析等提供应用支持。

  三、污染物扩散分析

  采用国际主流的流体动力学软件在三维模型中进行分析,模拟出不同的有害气体在三维城市中的扩散路径,分析结果以动态的方式可视化显示在三维平台上。这个应用只能为城市安防应急提供参考,而不能作为单一的决策依据。因为流体动力学分析也是世界级的难题,其分析结果无法达到百分百的准确度。

  四、光线通视分析

  1.建筑物日照分析

  可以对设计中的建筑进行模拟,分析其对周边建筑的遮光影响与周边建筑对新建建筑的遮光影响,以此来决定是否需要对设计方案进行修改。同时可以将各个位置的平均日照强度以数值颜色的方式可视化。

  2.太阳能应用分析

  这个应用主要依据于非凡智慧方案生产的三维城市具有极高的高程精度,对每个屋面斜率、朝向的识别都较精准,而太阳和地球的运行轨迹都是已知的,综合当地相关部门采集的平均日照等参数,就能得到较为准确的日照信息。

  3.路灯照明管理

  通过事先采集的照明参数(光源高度、广度、强度等),在三维场景中模拟路灯照明范围,可为路灯管理布设提供数据支持。

  4.摄像头布设选点分析管理及安防模拟

  在三维场景中可以模拟每个摄像头的扫描范围,同时生成二维的简略图进行分析,在项目施工前进行足够的分析模拟,力争用最少的资源做出最好的效果。

  五、城市规划应用

  三维城市在城市规划中的应用太多了,虽然目前三维还没有真正的普及,但只要模型精确可靠,随着技术的发展,城市管理的需求,三维的应用会越来越广。

  由于激光雷达点云对地类地物分类的特点,将施工红线导入,可以自动识别出红线内的路面、植被、电塔、建筑、水面等多种地类属性,对不同的地类输入一定的评估价格,则可得出大致的拆迁赔偿预算。同时导入设计方案相关数值也可以求出项目所需要的挖填方量。

  六、城市水淹分析及洪水模拟

  有着城市高精度的三维模型与DEM,可以简单模拟出不同水位面时城市的水淹情况,结合城市地下管网系统及周边水库湖泊等蓄水能力,可以得出更精准的模拟结果。在大雨来临之前,通过三维平台模拟能对水淹区域提前进行预防。

  七、无人驾驶

  无人驾驶汽车采用在汽车上方安置激光雷达的技术来探测汽车四周物体,以便系统做出驾驶决策。成本是无人驾驶汽车其中一个瓶颈。

  在没有高精准三维城市模型的情况下,汽车上安置的激光雷达必须能探测到较远、较广的范围,并实时对探测到的数据进行处理,分析的内容不仅仅包含哪里有行人有车辆,还需要分析出哪里有什么样的地类地物需要躲避,因此雷达的成本很高,对系统实时数据处理的要求也很高。

  在拥有了城市高精度三维模型后,对激光雷达的要求就降低了,无需对城市进行分析,仅需探测较近范围内的非城市固件即可,成本降低了,数据处理工作量也大幅度降低。

  随着科技的发展,三维技术逐渐被我们所熟知,在让我们的生活变得精彩的同时,也慢慢改变着我们的生活,它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚,为各行各业以及人们的日常生活提供了更有效的辅助决策支持。(文|王鹏)