从2D地图到3D城市模型的概略路线

对包括道路和城市在内的这些密集使用的地理要素制作地图的需求一直在稳步提升。这是因为如今的城市化率需要详细的及时更新的三维地理数据。这些数据帮助城市管理者规避居住性下降，限制水、空气和噪声污染，改善公平税收和快速应急响应等。如何对三维真实世界进行抽象是关键，这就是LoD（level of detail）的概念。自从2012年Filip Biljecki一直在研究如何改进3D城市模型的LoD。他的工作发表在《Level of detail in 3D city models》中。他最近从代尔夫特科技大学获得博士学位，因为其高水平的研究，他获得了非常难得的优秀毕业生称号，GIM international因此对他进行了一次采访。

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LoD意味着什么？

LoD是3D城市模型的关键属性，其概念对应于地图的尺度和影像的分辨率。LoD本质上关联的是语义和专题丰富程度以及几何细节。例如，LoD1将建筑物表示为带有平顶的方块，LoD2则展示更多细节如屋顶形状和外墙的突出体等。方块模型对于放置GSM天线是最合适的，而如果要放置太阳能电池板则需要屋顶的形状、尺寸和方向等信息。所以LoD决定了数据的适用性，并且蕴含着其协同工作特性，维护性以及格式转换的特性。此外，地理数据获取技术应当能够足够生成所需的LoD，而这关系到数据获取的成本高低。

为什么城市应当对生成3D模型感兴趣？

这和他们为什么对2D地图感兴趣的原因是一致的。3D城市模型可能用于许多方面。他们提供了比使用传统2D GIS产品更多的视角并可能产生新的应用。我可以给出几个例子。如果没有3D城市模型，那么就不可能评估太阳能电池板的潜在效益。要评估噪声污染，3D模型比2D地图更为准确。这是因为声音在空气中进行所有方向的传播。所以，噪声水平不仅取决于噪声源的水平距离，也和高程相关，而这一点在2D地图中是无法顾及的。这些专业化的3D城市模型应用经常需要大量的数据预处理，很能吸引城市决策者在改善管理方面的兴趣。

LoD难道不是另外一种测绘制图中的抽象和归纳形式，或者相当于遥感的分辨率？

是，也不是。是，因为LoD和尺度，归纳，分辨率以及点云密度都有类似之处。不是，因为3D城市模型与地图不同，他们含有非几何度量，包括纹理和语义化细节。比如，建筑物几何由其轮廓描述，但是可以用照片纹理和额外信息比如修建年份来丰富属性。屋顶几何形状和建筑年份是预测能量需求的关键要素。实话说，我并不是GIS里“尺度”概念的拥趸，因为它两层含义。首先，它和纸质地图有关，所以这个概念在3D城市模型（常为数字形式）并不适用。其次，尺度有很多含义，大尺度，表示大的空间范围。“分辨率”的概念在3D城市模型中同样并不合适。对于图像而言，这个概念没有问题因为栅格的分辨率是同质的。3D城市模型则不同与此，其成分混杂。道路标志或者部分的道路标志可能采用不同的时间粒度进行建模。对于术语的探讨难免主观，肯定有很多同行并不同意我前面所说的。术语有历史背景经常指代已经在消退中的技术。结果就是，纸质地图时代发展的术语在我们这个从2D地图向数字3D模型转型阶段显得日渐匮乏。

你在论文中的一个主张是：并不存在一个普适的3D城市模型。这句话是什么意思？有怎样的结果？

作业员和研究人员使用“通用3D城市模型”来表示似乎通用的城市数据。我并不同意这个概念。2D数据可能采集一次就可以用于很多应用。不幸的是3D数据并非如此。挑战在于：每个应用和软件的需求都是不一样的；数据格式并不是完全可以互操作的；专题完整度也不够。实际上，生成可用于所有或者大多数应用的数据是非常复杂的，因此并不存在一种通用的3D数据。当然，一个数据可以满足多项应用。比如拿LOD2 CityGML数据举例来说，它可以用于太阳能估计和城市规划，但是如果认为相同的数据可以全部用于在2D GIS当中的应用未免太过乐观。当设计专题和获取数据时，企业和城市应当专注于一些列预期的3D模型的应用，而不是过早地参与到满足一切的应用开发中。

如果数据采集设备的定位精度很差的话，获取和创建丰富细节的地理数据是否具有可行性？

这依赖于应用，但是通常来说答案是否定的。提升LoD精细程度常常来的不如成本控制重要。一栋建筑的体积的精度从定位精度中获益多过建筑细节的丰富度。粗糙但是高精度的模型可以得到更高质量的结果。当然例外总是有的。在可视化上，细节丰富的LoD比定位精度高的LOD更加赏心悦目。

CityGML是一种开源地理空间共同体标准。以你的经验，此标准的接纳程度如何呢？

我最近看到的大多数的3D城市模型都支持CityGML了。所以似乎这个标准被GIS共同体很好的采纳了，包括来自地方政府和企业界的作业员和研究者。然而，软件适应有所滞后-CityGML亦然，因为对于一个共同体来说熟悉一种新标准总是伴随着一个急弯道。

生成带有丰富细节的3D城市模型伴随着很高的成本。什么时候以及为什么城市需要高度精细的3D城市模型呢？

确实如此，成本高的原因和生产地形图以及其他2D地图的原因是一样的：人工成本经常不可避免地高。生产成本会逐渐下降，主要因为未来3D城市模型的自动化和细节增强将会靠建筑设计规则而不是使用实际的数据获取。这种人工增强过程叫做“程序化建模”。是否需要生产精细的LOD主要取决于它预期的应用。更精细的LOD看上去更具吸引力，但是如我前面所说，效益可能与成本不能匹配。

精细的LOD包含圆顶，烟囱和其他屋顶细节。那种应用需要这种细节程度的重建结果？

的确，许多应用只需要一个立方体模型就足够了，而并不需要非常丰富的屋顶细节。这也是我研究中的一个问题。除了估计太阳能潜力（此为需要屋顶形状的一个重要应用）其他应用可能也可以从LOD2几何中获益。在能源领域，屋顶细节使得屋顶细节可以用来区分阁楼调整估计参数。屋顶形状也可以支撑室内数据拟合以及自动财产估值。应急响应方面，第一个响应者赶到受灾现场后，如果知道屋顶形状就能够支撑后续行动规划。

你如何看待3D城市模型涉及到的持续增强的激光扫描仪获取点云的现象？

3D城市模型的进展与传感器技术和数据软件处理的发展是密切相关的。到目前为止，3D城市模型主要关注建筑物而不是道路和桥梁。随着传感器和数据处理能力的增强，3D城市模型的专题完整度也会得到提升。传感器的改进也会促成LOD的精细化和高质量化。如果性能的提升又能够伴随着获取成本的下降，那么3D城市模型的创建将会变得更加简单，更新也会更加频繁。换言之，点云密度越高，3D城市模型越好。

在代尔夫特科技大学期间你发表了许多学术论文。你对于大学里流传的“发表或者凋零”的观念怎么看？

首先我认为每个人必须认识到大学有两个任务：科研与教学。对于科研，我支持“发表或者凋零”的看法因为发表论文培养科学沟通的能力并且促进研究者们分享他们的工作。有些研究人员因为各种各样的原因不情愿发表他们的工作，这很遗憾因为会妨碍科学发展。此外，我认为公共基金资助的研究者有义务去分享他们的研究成果，保留和延迟发表结果有违科学精神。再者，发表文章通常可以发起新的联系，刺激多边合作，并能防止重复工作，这对所有人都有好处。另一方面，“发表或者凋零”的模式阻碍教学任务。教员通常又有研究任务也有教学任务，所以发表论文的压力可能削减教学方面的投入，最终导致教育质量的下降。