国际视野|基于CityGML的多源数据三维城市模型
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现代城市的快速发展离不开地理空间数据基础设施的建设，而三维可视化技术作为数字城市的核心技术之一，在我国乃至国际范围内都成为了建设智慧城市的热点应用与研究。其中作为代表的是开放地理空间信息联盟（Open Geospatial Consortium）制定的CityGML城市三维对象通用信息模型。它作为一个开放免费的数据模型，在定义了现代城市内大部分地理对象之间的分类及其相互关系之余，还充分考虑到了三维城市模型的几何、拓扑、语义、外观等多元属性。
CityGML所提供的不仅仅是一种图形交换格式这么简单，它同时还允许用户将所构建的三维城市模型部署到各类复杂的GIS分析场景当中，比如：仿真建模，城市规划，建筑信息模型等。CityGML具体可以被分为五个不同的连贯细节层次（LOD），依次为：LOD0—地域模型，包括2.5D的数字地形图；LOD1—城市及场地模型，特指没有屋顶结构的楼块模型；LOD2—城市及场地模型，包括贴图与屋顶结构的粗略模型；LOD3—城市及场地模型，包括更多细节的建筑模型；LOD4—室内模型，特指可以进入内部的建筑模型。
以土耳其首都伊斯坦布尔为例，研究人员正在努力构建基于CityGML的三维城市模型，目标就是通过利用多元的地理空间数据（例如：机载激光雷达点云，摄影测量航片，二维数字地图等。）来生成LOD2与LOD3层次的城市模型。
图2：伊斯坦布尔局部点云分类结果。其中图中红色表示建筑物，绿色表示植被。
（图片来源：https://www.gim-international.com）
通过利用直升机采集的激光雷达（Lidar）点云数据，构建CityGML的第一步就是生成数字表面模型（DSM）与数字高程模型（DEM）。与此同时，点云数据的分类也至关重要，点云数据通过自动处理将被进一步分类为地面、建筑物、各层植被等不同类别。虽然其中自动分类的精度可以达到90%以上，但是依然会存在点云误分类的情况，其中包括相似高度的建筑物与树木极容易被混淆等现象。因此，想要提高三维模型的数据质量，土耳其的研究人员依旧需要借助大量的人工检查与编辑。在点云分类结果的基础上，借助1:1000比例尺的建筑物轮廓地图以及正射影像，研究人员自动生成了150万栋建筑物的三维建模任务，对应的是CityGML的LOD2及LOD3层次。
图3：伊斯坦布尔市中心LOD2与LOD3城市三维模型。
（图片来源：https://www.gim-international.com）
除此之外，来自德国慕尼黑的研究人员通过结合基于合成孔径雷达数据的光学立体测量（SAR-optical stereogrammetry）以及来自OpenStreetMap的志愿者地理信息数据完成了对慕尼黑地区的CityGML三维城市模型的建立。因为基于机载激光雷达技术的建筑物高程获取范围可能受到数据获取成本因素的影响，因此人们想到了利用光学立体测量（Optical Stereogrammetry）提取建筑物高程信息并与开源街道地图中的建筑物轮廓相结合来构建LOD1的三维城市模型。
图4：德国慕尼黑cityGMLLOD1三维城市模型
(图片来源:[2])
随着我国社会经济快速发展,城市的规模也在持续扩大。为确保不断扩大的城市在建设过程中坚持可持续发展以及科学的城市规划,城市三维模型以及相关地理信息基础设施的建设将是一项系统而又复杂的工程。
参考文献：
[1]3D City Modellingof Istanbul - Issues, Challenges and Limitations. (2019) Gürcan Büyüksalih,Peyami Başkaraca, Alias Abdul Rahman.
[2]Bagheri,Hossein & Schmitt, Michael & Zhu, Xiao. (2019). Fusion of Multi-Sensor-Derived Heights andOSM-Derived Building Footprints for Urban 3D Reconstruction. ISPRSInternational Journal of Geo-Information. 8. 193. 10.3390/ijgi8040193.
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