测绘及三维建模知识点文档格式.docx
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一个三维模型的建立过程包括三维初始数据的获取，对初始数据进行诸如去除噪声点、简化等处理，按照不同的方式组织三维数据，最终实现在计算机中绘制出具有三维特征的模型。
在三维建模中，最主要的问题就是使用三维数据进行绘制，要使得绘制出的模型有立体感和真实感，达到理想的视觉效果；
同时还要较好地组织数据，减少存储空间以便于数据的传输和加快显示速度。
多边形网格绘制是目前的标准绘制方法，它把三维模型表面的点连接成以多边形为单位的网格，可以表达复杂的表面，提供更强的适应性，其中尤以三角网格的使用最为广泛。
目前国际上多边形网格绘制技术已经很成熟了，而流行的各种3D制作软件，如OPENGIL等，都可以实现三维物体的网格建模和绘制。
但最近几年，三维图像处理领域出现并普及了新的工具——三维激光扫描仪，它可以方便快捷地检测一个三维物体表面各点的空间位置，将三维物体表示成空间量密集分布的点，我们称之为点云数据。
于是又有人提出了点绘制的思想，即在每一个点上绘制一个面或其他几何体，当点云密度足够大时，就可以把整个模型绘制出来。
两种方法各有优劣，本文就试图在这两种方法中找到一条中间道路，取其各自的长处而补其不足。
）
三维立体导航，采取三维建模的实景路口地图情势，可以显示全国各大城市3万多幅路口实景画面，将庞杂路口完整真实的无差浮现，以最清楚突出的方法领导驾驶者进入目的车道，一目了然，零识别时光。
二、三维数据采集
（一）专业术语
1、空中三角测量
空三处理提供地理参照的影像，是建立所有摄影测量项目的几何级基础。
空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。
其主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。
空中三角测量一般分为两种:
模拟空中三角测量即光学机械法空中三角测量;
解析空中三角测量即俗称的电算加密。
模拟空中三角测量是在全能型立体测量仪器（如多倍仪）上进行的空中三角测量。
它是在仪器上恢复与摄影时相似或相应的航线立体模型，根据测图需要选定加密点，并测定其高程和平面位置。
航空摄影测量中利用连续摄取的具有一定重叠的航摄像片,依据少量野外控制点，以摄影测量方法建立同实地相应的航线模型或区域网模型（光学的或数字的），从而获取加密点的平面坐标和高程。
主要用于测地形图。
2、遥感影像
凡是指纪录各种地物电磁波大小的胶片（或相片），都称为遥感影像（RemoteSensingImage），在遥感中主要是指航空像片和卫星相片。
用计算机处理的遥感图像必须是数字图像。
以摄影方式获取的模拟图像必须用图像扫描仪等进行模/数（A/D）转换；
以扫描方式获取的数字数据必须转存到一般数字计算机都可以读出的CCT等通用载体上。
计算机图像处理要在图像处理系统中进行。
图像处理系统是由硬件（计算机、显示器、数字化仪、磁带机等等）和软件（具有数据输入，输出，校正，变换，分类等功能）构成。
图像处理容主要包括校正、变换和分类。
空间分辨率
成像方式分类：
折叠航空摄影成像
摄影成像是通过成像设备获取物体的影像技术。
传统摄影成像是依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。
数字摄影则通过放置的焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体的影像。
折叠航空扫描成像
扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标物的电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。
折叠航空微波雷达成像
微波成像雷达的工作波长为1mm-1m的微波波段，由于微波雷达是一种自备能源的主动传感器和微波具有穿透云雾的能力，所以微波雷达成像具有全天时、全天候的特点。
在城市遥感中，这种成像方式对于那些对微波敏感的目标物的识别，具有重要意义。
3、倾斜相机/倾斜摄影
作为近年来国际上发展十分迅速的一项高新技术，倾斜摄影不仅能够真实反映地物情况，而且可通过先进的定位技术嵌入精确的地理信息，在欧美等发达国家，已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理等领域。
鉴于该技术的重大意义，我国也将其列入了《国家地理信息产业发展规划（2014-2020年）》。
4、导航定位定向系统（简称：
POS系统）是通过全球导航卫星系统（GNSS）获取位置数据作为初始值，通过惯导系统（IMU）获取姿态变化增量，应用卡尔曼滤波器、反馈误差控制迭代运算，生成实时导航数据。
应用POS系统可以得到移动平台位置和姿态的轨迹数据。
能够实现直接地学定位，可以减少或省略空中三角测量的地面控制点。
可以与任何类型的量测类型的传感器（航摄像机、机载激光雷达（LIDAR）、高光谱成像仪、机载合成孔径雷达（SAR）和机载干涉雷达（InSAR）等）直接连接使用。
应用机载POS组合导航系统可以获取摄影相机的外方位元素和飞机的绝对位置，实现定点摄影成像和无地面控制的高精度对地直接定位。
该技术和方法还广泛用于高空分辨率卫星影像的的几何处理中，大量研究集中在稀少控制点和无控制点条件下如何提高影像的平面和高程精度。
我国正在采用航天遥感，数字航空摄影，航空航天可见光成像、激光扫描成像、合成孔径雷达成像，卫星导航定位，地理信息系统，无控制点或稀少控制点测绘等现代地理空间技术的集成手段进行测绘工程。
5、Gps卫星定位系统
GPS定位系统靠车载终端置SIM通过移动GPRS信号传输到后台来实现定位。
在远的地方定位人的行踪。
6、地图精度
地图精度就是地图的精确度，即地图的误差大小，是衡量地图质量的重要标志之一，它与地图投影、比例尺、制作方法和工艺有关。
通常用地图上某一地物点或地物轮廓点的平面和高程位置偏离其真实位置的平均误差衡量。
地图要素的误差主要由以下几方面引起：
资料数据和图稿的误差；
地图投影的误差；
展绘地图数学基础的误差；
转绘地图容的误差；
制图综合产生的误差；
复照和印刷造成的误差和图纸伸缩造成的误差。
这些误差难以避免。
在地图生产过程中，一般对每一生产工序都进行误差控制，以便达到地图的精度要求。
如展绘地图数学基础时，展点允许误差为±
0.1毫米，边长误差≤±
0.2毫米，对角线误差≤±
0.3毫米；
容转绘误差<
±
0.2毫米；
描绘误差<
印刷套印误差≤±
0.3毫米等。
因存在地图误差，故在地图上进行量算时，对量测的数据必须考虑地图的各项误差。
地图比例尺
指地图上的线段长度与实地相应线段长度之比。
严格讲，只有在表示小围的大比例尺地图上，由于不考虑地球的曲率，全图比例尺才是一致的。
比例尺与地图容的详细程度和精度有关。
一般讲，大比例尺地图，容详细，几何精度高，可用于图上测量。
小比例尺地图，容概括性强，不宜于进行图上测量。
地图比例尺是指图上某线段的长度与相应的实地水平距离之比。
即：
地图比例尺=图上距离/相应实地水平距离。
我国的国家基本比例尺地图的比例尺应为：
（最大）1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000、1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000、1∶250000、1∶500000、1∶1000000、1:
25000000、1:
50000000.一般的，1:
10万以下算小比例尺，以上算大比例尺。
（二）获取三维模型数据的方法
1、基于图像
航空倾斜摄影技术
它是在700米左右的低空以45度角对地面进行摄影测量，可以获得近地高分辨率航测影像。
它克服了正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，可获得5个或更多角度的倾斜摄影影像。
这种航空倾斜影像有如下功能特点：
通过低空云下摄影，从一个垂直和4个以上45度倾斜的方向获取高清晰度的地物影像，可供多角度观察；
在高精度定位定（向）姿POS系统的辅助下，影像上每个点都具有三维坐标，基于影像可进行任意点线面的量测，获得厘米级到分米级的测量精度。
相比正射影像它还可以获得更精确的高程精度，对建筑物等地物的高度可以直接量算；
影像中包含真实的环境信息，信息量丰富，可进行影像信息的数据挖掘；
倾斜影像通过专门软件处理，能较高效率地完成城市三维建模，相比传统方法，其建设周期更短、成本更低。
倾斜摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。
该技术去年2010年4月由天下图公司首次从美国Pictomitry（英领）公司引入我国。
航空相片（遥感影像包含航空相片和卫星相片）成像方式分类：
1、摄影成像是通过成像设备获取物体的影像技术。
2、扫描成像是依靠探测元件和扫描镜对目标物体以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标物的电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。
3、微波成像雷达的工作波长为1mm-1m的微波波段，由于微波雷达是一种自备能源的主动传感器和微波具有穿透云雾的能力，所以微波雷达成像具有全天时、全天候的特点。
校正处理图像校正是指从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程，消除几何畸变的叫几何校正；
消除辐射量失真的叫辐射校正。
倾斜摄影技术中Infinite3D-RealScenes涉及倾斜相机型号及用途
Infinite3D-RealScenes能够兼容处理各种主流倾斜摄影相机采集的数据，包括：
SWDC-5、莱卡RCD30、AMC580，以及无人机采集的倾斜影像。
1、SWDC-5（四维远见）数字航空倾斜摄影仪区别于传统的竖直航摄，除一个子相机获取正下方影像外，还可同时从前后左右四个方向以45°
倾斜角对地面进行拍摄,得到被拍摄物的多视角影像、建筑物墙体真实纹理，可广泛用于数字城市、数字地球（智慧地球）的基础地理空间框架建设。
2、莱卡RCD30
新型徕卡机载中幅面阵数码相机RCD30高度集成了相机镜头、控制系统、可插拔SSD硬盘和定位定向系统IPAS20，同时高频获取速度保证了RGB和NIR（CH62）影像的同步获取。
徕卡RCD30配备了完整的数据后处理软件，能高效完成最终产品提交。
徕卡RCD30配备50mm，80mm二种可更换镜头，每个镜头都经过严格检校，如此保证了获取数据的精度。
另外，可以选择徕卡惯性定位及定向系统IPAS20和陀螺稳定座架PAV80实现直接定位定向，并提高数据精度。
行业应用领域徕卡RCD30可用于小、中面积的各种比例尺航空摄影测量项目。
3、AMC580多视角航空照相机系统（5个多视角航空相机传感器与陀螺稳定平台）
AMC580是我国自主研发的多视角数码航空照相机系统，该系统集成了5台8000万像素的大幅面量测型专业航空相机，包括1台垂直和4台倾斜照相机。
设备可用于可取三维影像数据，为数字城市与智慧城市建设提供可靠地数据源。
特点：
（1）幅面大，目前国际市场上像幅最大的多视角航空照相机系统。
（2）量测型，提供准确且稳定的镜头方位元素检校。
（3）支持多种类型的稳定平台，包括GSM3000、PAV30、PAV80、Z/IMount等。
（4）传感器头部可以伸缩，便于在不同类型的飞机上的安装，避免了倾斜镜头在航摄过程中的遮挡。
（5）集成ApplanixPOS（导航定位定向系统）AV系统，为多个镜头直接提供准确的外方位元素，快速直接定向。
（6）支持多种类型的飞行管理系统，用户可根据不同需求自由选择。
多视角摄影技术及其成果会在以后的测绘生产与空间信息服务中扮演更加重要的角色。
航空多视角影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位定姿技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极扩展了遥感影像的应用领域。
同时，多视角摄影技术使得目前高昂的三维城市建设成本将得以降低。
由于多视角影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验以及其低廉的成本，该技术将越来越多的应用于应急指挥、国土安全、消防、虚拟导航、城市管理与城市规划、房产税收、建筑工程施工、网络旅游、三维电影产业等行业。
2、激光扫描
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。
它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。
三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。
快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。
三维激光扫描仪（相位式扫描仪）特别适用于对大面积、表面复杂的物体进行精细测量，对表面结构复杂的物体扫描有死角。
优点是高效率高精度，缺点是难以实现流水化生产，后期处理难度大，专业性强难以普及。
无臂式手持3D扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合，确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。
这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。
在铰接臂方面与其他3D扫描仪相比较，光学3D扫描系统可以完全自由移动，显著提高了工作效率和质量!
机载激光扫描仪
用AirborneLaserScanner结合空中影像,经过算法处理提取建筑物高程、纹理以及其他数据;
该方法获取速度快,但后续处理工作量大,费用可观,是一种很有发展前途的方法。
激光测距仪
用Laserrangerfinder结合CCD相机从地面获取建筑物高度及纹理数据;
该方法获取速度快、但工作量大,且后续处理工作量也很大。
3、三维几何建模
几何建模是20世纪70年代中期发展起来的,它是一种通过计算机表示,控制,分析和输出几何实体的技术,是CAD/CAM技术发展的一个新阶段。
以几何信息和拓扑信息反映结构体的形状、位置、表现形式等数据的方法进行建模就称为几何建模。
几何信息即指在欧氏空间（欧氏空间是一个特别的度量空间，它使得我们能够对其的拓扑性质，在包含了欧氏几何和非欧几何的流形的定义上发挥了作用。
）中的形状、位置和大小，最基本的几何元素是点、直线、面。
拓扑信息是指拓扑元素（顶点、边棱线和表面）的数量及其相互间的连接关系。
几何建模通过对点线面体等几何元素的数学描述，经过平移旋转变比等几何变换合并、交、差等几何运算，产生实际的或想象的物体模型。
根据描述方法及存储的几何信息、拓扑信息的不同，三维几何建模系统可分三类：
线框建模：
在计算机部是以边表和点表来描述和表达物体的。
用顶点和棱边表示形体，没有面的信息。
优点：
结构简单，绘制快速；
物体的三维数据可以产生任意试图。
缺点：
有二义性，缺少表面轮廓信息；
在数据结构中缺少面与面，面与体之间关系信息。
表面建模：
是用有连接顺序的棱边围成的有限区域来定义形体的表面，再由表面的集合来定义形体。
表面模型实在线框模型的基础上，增加有关面边信息以及表面特征、棱边的连接方向等容。
存储几何信息的方法是建立三表结构，顶点表、边表、面表。
结构简单数据量小，速度较快；
可消隐着色、求表面积，轨迹计算。
有二义性，缺少体信息；
没有解决形体究竟在表面的哪一侧，缺乏完整性。
实体建模：
为了解决形体存在于表面的哪一侧问题，可采用实体建模来描述三维立体。
基于三维几何建模的几款软件：
3DMAX
3DStudioMax，常简称为3dsMax或MAX，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。
其前身是基于DOS操作系统的3DStudio系列软件。
在WindowsNT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。
3DStudioMax+WindowsNT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛，首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如X战警II，最后的武士等。
在Discreet3Dsmax7后，正式更名为Autodesk3dsMax最新版本是3dsmax2016。
突出特点
1、基于PC系统的低配置要求;
2、安装插件（plugins）可提供3DStudioMax所没有的功能（比如说3DSMax6版本以前不提供毛发功能）以及增强原本的功能;
3、强大的角色（Character）动画制作能力;
4、可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。
在应用围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。
MAYA
Autodesk旗下的著名三维建模和动画软件。
Autodesk称，Maya2008可以大大提高电影、电视、游戏等领域开发、设计、创作的工作流效率，同时改善了多边形建模，通过新的运算法则提高了性能，多线程支持可以充分利用多核心处理器的优势，新的HLSL着色工具和硬件着色API则可以大大增强新一代主机游戏的外观，另外在角色建立和动画方面也更具弹。
软件功能
AutodeskMotionBuilder7.5扩展包2也将推出。
作为Autodesk3dsMax和AutodeskMaya的完美伴随产品，Autodesk&
reg;
MotionBuilder™软件是用于高容量3D角色动画和3D剧情制作的世界领先的生产力套装软件之一。
MotionBuilder的重点是专业级角色动画制作和剪辑，为化解复杂的动画挑战提供了"
创造性的"
解决方案。
最后，该版本包含众多的Biped改进，包括对角色动作进行分层并将其导出到游戏引擎的新方法以及在Biped骨架方面为动画师提供更高灵活性的工具。
新版本包括了许多在建模、动画、渲染和特效方面的改进，这些改进使得工作效率和工作流程得到最大的提升和优化。
应用
maya是现在最为流行的顶级三维动画软件，在国外绝大多数的视觉设计领域都在使用maya,即使在国该软件也是越来越普及。
由于maya软件功能更为强大，体系更为完善，因此国很多的三维动画制作人员都开始转向maya，而且很多公司也都开始利用maya作为其主要的创作工具。
maya的应用领域极其广泛，比如说《星球大战》系列《金刚》等都是出自maya之手。
至于其它领域的应用更是不胜枚举。
MAYA7与3DMAX比较
MAYA是高端3D软件，3dsmax是中端软件，易学易用，但在遇到一些高级要求时（如角色动画/运动学模拟）方面远不如MAYA强大。
MAYA的基础层次更高，3dsmax属于普及型三维软件
3dsmax的工作方向主要是面向建筑动画，建筑漫游及室设计。
MAYA的用户界面也比3dsmax要人性化点，Maya是Alias|Wavefront（2003年7月更名为Alias）公司的产品。
MAYA软件应用主要是动画片制作、电影制作、电视栏目包装、电视广告、游戏动画制作等。
3dsmax软件应用主要是动画片制作、游戏动画制作、建筑效果图、建筑动画等。
Maya主要是为了影视应用而研发的。
三、三维数据处理
建模：
对于现实世界中的物体，用计算机部表示（描述表达和存储物体的模型）的过程。
模型：
数据、结构和算法的集合。
三维模型数据检索
三维模型在很多领域应用广泛，并且形成了越来越庞大的三维模型数据库。
完整的三维数据检索系统应包括特征提取（最关键）、索引结构、相似度度量、查询接口等方面。
1、校正
折叠几何校正
各类遥感图像都存在在几何校正的问题。
由于人们已习惯使用正射投影的地形图，因此对各类遥感影像的畸变都必须以地形图为基准进行几何校正。
几何校正步骤大致如下：
①选择控制点：
在遥感图像和地形图上分别选择同名控制点，以建立图像与地图之间的投影关系，这些控制点应该选在能明显定位的地方，如河流交叉点等。
②建立整体映射函数：
根据图像的几何畸变性质及地面控制点的多少来确定校正数学模型，建立起图像与地图之间的空间变换关系，如多项式方法、仿射变换方法等。
③重采样插：
为了使校正后的输出图像像元与输入的未校正图像相对应,根据确定的校正公式，对输入图像的数据重新排列。
在重采样中，由于所计算的对应位置的坐标不是整数值，必须通过对周围的像元值进行插来求出新的像元值。
折叠辐射较正
从遥感器所获得的图像的灰度与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的，这是因为遥感器测量值中包含太阳位置及角度条件、薄雾及霭等大气条件所引起的失真。
为了正确评价目标物的反射及辐射特性，必须消除这些失真。
消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程就是辐射较正。
辐射校正的结果，会改变图像的色调和色彩。
折叠纹理特征
是指周期性图案及区域的均匀性等有关纹理的特征。
根据构成图案的要素形状、分布密度、方向性等纹理进行图像特征提取的处理叫做纹理分析。
图像分类
利用遥感图像进行分类，就是对单个像元或比较匀质的像元组给出对应其特征的名称，其原理是利用图像识别技术实现对遥感图像的自动分类。
计算机用以识别和分类的主要标志是物体的光谱特性，图像上的其它信息如大小、形状、纹理等标志尚未充分利用。
在计算机分类之前，往往要做些预处理，如校正、增强、
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