廣州市城市三維景觀地圖網(wǎng)站的建設(shè)與開發(fā)

張榮

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 引言

2010年第16屆亞洲運(yùn)動會在廣州隆重舉行，為了“服務(wù)亞運(yùn)展示廣州”，廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院為亞運(yùn)會量身訂制、精心打造一個信息豐富、直觀生動的城市三維景觀地圖(2.5維)平臺，為來自不同地區(qū)的涉亞人員提供廣州市中心城區(qū)逼真的亞運(yùn)建設(shè)、街區(qū)景觀、賽事安排、道路交通等地理信息服務(wù)，對于生動反映廣州亞運(yùn)建設(shè)的成果，宣傳廣州的城市品牌有著積極重要的意義。

2 數(shù)據(jù)內(nèi)容及模型標(biāo)準(zhǔn)

2.1 數(shù)據(jù)范圍及內(nèi)容

廣州市城市三維景觀地圖的制圖區(qū)域?yàn)閺V州環(huán)城高速公路以內(nèi)243.04 km2的中心城區(qū)，包括越秀區(qū)全范圍，荔灣、海珠、天河核心地區(qū)，珠江新城、新城市中軸線南段、白鵝潭、員村－琶洲規(guī)劃重點(diǎn)區(qū)。數(shù)據(jù)范圍如圖1所示。

圖1 城市三維景觀地圖數(shù)據(jù)范圍

三維景觀地圖數(shù)據(jù)分為四個部分:標(biāo)志建筑高精模型、城區(qū)精細(xì)模型、城市主干道的中英文注記、亞運(yùn)專題數(shù)據(jù)。

(1)標(biāo)志性建筑模型

采用非接觸式高速激光測量方式，獲得建筑全方位坐標(biāo)信息，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后擬合為三角面網(wǎng)。運(yùn)用逆向工程原理重構(gòu)出建筑的CAD最簡化模型，模型精度達(dá)到毫米級。

(2)城區(qū)精細(xì)模型

反映城區(qū)的景觀特點(diǎn)，包括三級建筑精細(xì)模型、地面精細(xì)模型、城市設(shè)施模型。城區(qū)內(nèi)指定了重點(diǎn)區(qū)和非重點(diǎn)區(qū)，地面模型和城市設(shè)施模型按不同兩個層次要求建設(shè)。

(3)城市主干道的中英文注記

為了增加景觀地圖的可讀性，又不至于破壞景觀地圖的直觀性美觀性，并且方便來自不同國度的涉亞人員瀏覽三維景觀地圖，因此在三維場景中疊加城市主干道的中英文注記。

(4)亞運(yùn)專題數(shù)據(jù)

亞運(yùn)專題數(shù)據(jù)包括亞運(yùn)場館和亞運(yùn)服務(wù)(包括涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等)兩部分，以空間圖形(面狀的建筑物外框多邊形)和屬性一體化的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，如亞運(yùn)場館包括名稱、地址、場館介紹、賽事安排等信息。

在三維景觀地圖中，為了能夠讓亞運(yùn)專題地物帶有屬性信息，需要為每個亞運(yùn)專題所對應(yīng)的建筑物添加矢量數(shù)據(jù)——在三維景觀地圖基礎(chǔ)上，勾畫出具有圖像坐標(biāo)的建筑物外框多邊形。

2.2 三維模型數(shù)據(jù)精度要求

從實(shí)際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，城區(qū)建筑模型采用分等級建設(shè)的思路。把城區(qū)分為重點(diǎn)區(qū)與非重點(diǎn)區(qū)，不同區(qū)域的建筑以及地面模型精度不同，設(shè)施詳細(xì)程度不同。根據(jù)建筑的重要程度分三個等級，按不同精度建模。

(1)不同區(qū)域的建模深度

為了迎接16屆亞運(yùn)會廣州的城市建設(shè)主要是圍繞亞運(yùn)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行的，因此把天河體育中心、珠江新城中心、亞運(yùn)村、奧體新城、大學(xué)城、白云新城等這些涉亞區(qū)域劃定為重點(diǎn)區(qū)域。重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的涉亞體育場館、涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等重要配套設(shè)施建筑劃定為重點(diǎn)建筑。如表1所示。

重點(diǎn)區(qū)域與非重點(diǎn)區(qū)域的建模深度表 表1

重點(diǎn)區(qū)域按照“重點(diǎn)區(qū)域建模深度”制作地面模型和配置設(shè)施模型，重點(diǎn)區(qū)域建筑若符合重點(diǎn)工程條件的以1級精度建立現(xiàn)狀建筑模型，其他建筑以2級精度建立現(xiàn)狀建筑模型。非重點(diǎn)區(qū)域需按“非重點(diǎn)區(qū)域建模深度”制作地面模型和配置設(shè)施模型，非重點(diǎn)區(qū)域建筑若符合重點(diǎn)工程條件的以1級精度建立現(xiàn)狀建筑模型，其他建筑以3級精度建立現(xiàn)狀建筑模型。

(2)不同模型的建模要求

①三級建筑精細(xì)模型

紋理表現(xiàn)重點(diǎn)城區(qū)所有建筑。廣州建成區(qū)內(nèi)建筑數(shù)量極多，不宜所有的建筑均采用高精度制作。因此，從實(shí)際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，分3個等級建筑精細(xì)模型。1級精度建筑模型建筑體形與真實(shí)建筑基本吻合，大于2 m的體量迭級、凹凸變化、屋頂形式、入口形式等在模型中得以體現(xiàn)。2級精度建筑模型建筑體形與真實(shí)建筑基本吻合，可去除小于3 m的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。3級精度建筑模型省去模型細(xì)節(jié)部分，采用四面體(5個面)建模，表面紋理采用反映街區(qū)特征和建筑性質(zhì)的通用貼圖。

②地面精細(xì)模型

以道路、人行道、地塊組織幾何體，貼通用紋理建立。重點(diǎn)路段需要烘培光影貼圖固化到模型上。道路包括主道紋理、車道導(dǎo)向線、道牙、綠地、人行道，斑馬線、中央綠化帶。地塊則包括鋪裝、綠化、交通出入口。水系包括珠江和市域大小河涌的水面、堤岸、堤岸綠地。

③城市設(shè)施模型

過江橋、高架路、高架橋、立交、主干道上人行天橋:包括橋的主體結(jié)構(gòu)(橋面、防護(hù)欄、匝道、橋墩)及其附屬的綠化、路燈和廣告牌，橋的主體結(jié)構(gòu)有光影表現(xiàn)。

綠化植被:建立植被實(shí)體模型的綠化景觀主要是中心城區(qū)內(nèi)的大中型公園、廣場綠地;核心風(fēng)景區(qū);珠江風(fēng)景游覽河段的濱江綠化帶和林蔭大道;快速路、主干道、次干道的行道樹。行道樹盡可能采用與現(xiàn)實(shí)相符合的樹種，樹形應(yīng)當(dāng)有變化，其中有高大樹木，盡量按現(xiàn)狀表現(xiàn)。

其他設(shè)施:包括交通設(shè)施如公交站、地鐵出入口等;市政設(shè)施如路燈等;公安設(shè)施如各種標(biāo)識牌。

(3)建筑模型的3級精度

①1級精度

采用精細(xì)建模，能反映建筑細(xì)部，如:屋頂結(jié)構(gòu)，建筑轉(zhuǎn)折面(轉(zhuǎn)折大于2 m)，建筑與地面交界的鋪地、臺階、柱子、出入口等，能反映建筑附屬元素，模型紋理采用真實(shí)的拍攝影像。如圖2所示。

圖2 1級精度模型

②2級精度

不改變原建筑的幾何形狀，可刪除模型和地面相交長寬小于 3 m的模型，減少模型附屬元素，(如:花壇、基座、柱子段數(shù)等)，模型紋理采用真實(shí)拍攝的影像。如圖3所示。

圖3 2級精度模型

③3級精度

省去模型細(xì)節(jié)部分，采用四面體(5個面)建模;當(dāng)模型有弧度或有明顯轉(zhuǎn)折變化時，用較少的多邊形表現(xiàn);紋理采用街區(qū)的通用紋理，不需一一采集。建筑密度很大的區(qū)域(例如:城中村)，對于建筑緊靠建筑的一片低矮平房，可以整片處理，簡化不可見的面片。如圖4所示。

圖4 3級精度模型

2.3 場景效果要求

(1)模型精度

從實(shí)際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，采用分等級建設(shè)的思路建立重點(diǎn)城區(qū)模型。為了充分反映重點(diǎn)城區(qū)的城市特征和重點(diǎn)工程的建筑形態(tài)，1級精度仿真模型中的建筑體形與真實(shí)建筑或規(guī)劃建筑基本吻合。

(2)材質(zhì)貼圖

建筑的細(xì)部如門窗、幕墻、裝飾構(gòu)件、廣告牌等采用貼圖的手段表達(dá)。模型的色彩必須與真實(shí)建筑一致，住宅、辦公樓、公共建筑以及城市廣場的材質(zhì)特點(diǎn)在貼圖中反映出來。但模型的總體色彩灰度應(yīng)控制在一定范圍以達(dá)到整體協(xié)調(diào)。

(3)環(huán)境氛圍

在場景中設(shè)置加強(qiáng)模型真實(shí)感的物體，如車輛、路燈、樹木、雕塑、指示牌、廣告、電話亭、公車站、地鐵出入口等。

(4)光影效果

將建筑、樹木的陰影以貼圖的方式固化到模型中，以加強(qiáng)模型的立體感和真實(shí)感。主光方向統(tǒng)一為東南向，即東南面是受光面，西北面是背光面。

3 城市三維景觀地圖的制作流程

城市三維景觀地圖的制作方法首先是采用交互式CAD工程建模的技術(shù)方法，使用工程建模軟件3dMax和仿真建模軟件Creator相結(jié)合的方式進(jìn)行三維建模，然后采用分塊渲染、整體拼接的方法制作大場景三維圖，疊加上主干道的中英文注記，最后制作亞運(yùn)專題數(shù)據(jù)，其詳細(xì)流程如圖5所示。

圖5 三維景觀地圖制作流程圖

3.1 數(shù)據(jù)源獲取

CAD交互式工程建模需要建筑物高度數(shù)據(jù)、建筑物幾何要素?cái)?shù)據(jù)、建筑物及地面紋理數(shù)據(jù)等，獲取方法、工具軟件如表2所示。

數(shù)據(jù)源的獲取方法 表2

3.2 地物CAD建模

(1)多邊形建模

地物CAD模型是表面薄殼模型，由規(guī)則的或不規(guī)則的三角面或多邊形面組成，采用多邊形建模技術(shù)來完成模型的建立。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上采用組、體、面的組織結(jié)構(gòu)形式，其基本單位為面，同一建筑物或具有相同特征的建筑物的一部分組成一個體，若干體組合成一個組，以便模型的編輯與修改以及對模型屬性的控制。

(2)材質(zhì)應(yīng)用

材質(zhì)屬性決定了物體表面如何反射光線，包括放射屬性和反射屬性。前者決定了材質(zhì)本身發(fā)光程度，后者決定了材質(zhì)對光源的反射程度，即物體的顏色。材質(zhì)是顏色、光澤度、透明度等屬性的集合。

(3)紋理映射

紋理是表示物體表面材質(zhì)、色彩、透明度、光影特性的圖片。紋理采用實(shí)拍照片經(jīng)Photoshop處理平正、祛除雜質(zhì)、調(diào)整色差獲取。物體的鏤空情況通過透明貼圖技術(shù)，利用圖像的α信道建立。光影效果，通過烘培獲取。

3.3 場景渲染與拼接

在上述步驟所建立的模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分塊進(jìn)行場景渲染，最后把渲染后的分塊三維圖拼接成一個城區(qū)的大場景三維圖。

(1)區(qū)域分塊

由于計(jì)算機(jī)硬件配置以及軟件限制等原因，無法把制圖區(qū)域中的所有三維模型放入同一場景中進(jìn)行渲染，需要進(jìn)行區(qū)域分塊處理。

(2)模型整合

把同一分塊區(qū)域內(nèi)的建筑模型、地面模型、道路模型、園林綠化模型等數(shù)據(jù)整合到場景文件中，以便接下來的分塊渲染。

(3)三維場景分塊渲染

利用3ds Max軟件，利用相同的渲染參數(shù)，對經(jīng)過模型整合后的分塊場景分別進(jìn)行渲染。

(4)場景拼接

對于渲染后的分塊三維圖，利用Photoshop軟件，把制圖區(qū)域內(nèi)的所有分塊場景拼接成一張總的三維圖。場景拼接時遵循以下的原則:

①拼接時按通道來選擇圖像;

②以道路網(wǎng)為拼接參考基準(zhǔn)。

(5)場景參數(shù)調(diào)整

對分塊三維圖進(jìn)行亮度、對比度、透明度等參數(shù)的調(diào)整，使得場景中所有的塊都能保持同一渲染效果，并滿足出圖的要求。如圖6所示。

圖6 場景參數(shù)調(diào)整效果圖

(6)注記與三維模型疊加

利用平面軟件，把主要道路網(wǎng)的中英文注記疊加到三維場景中，并依據(jù)制圖的要求對各種注記進(jìn)行編輯整理。如圖7所示。

圖7 注記疊加后效果圖

3.4 亞運(yùn)專題數(shù)據(jù)的制作

以三維景觀地圖作為背景，對于亞運(yùn)專題所對應(yīng)的建筑物勾畫出該建筑的外框多邊形，并把亞運(yùn)相關(guān)的屬性信息賦值給該多邊形。在勾畫過程中，注意避免把該建筑被其他建筑所遮擋的地方勾畫進(jìn)來。

4 網(wǎng)站主要功能

網(wǎng)站采用Visual Studio 2008開發(fā)語言，發(fā)布利用SuperMap IS.NET6.0平臺，功能主要包括三維景觀地圖瀏覽、二三維聯(lián)動切換顯示、亞運(yùn)專題的三維地圖查詢服務(wù)等。

4.1 三維景觀地圖的瀏覽功能

系統(tǒng)通過連接空間數(shù)據(jù)庫，在地圖縮放時可在不同比例尺范圍內(nèi)分級顯示城市三維景觀地圖、亞運(yùn)場館、亞運(yùn)服務(wù)以及相關(guān)注記等數(shù)據(jù)，幫助用戶更精確直觀地了解以及亞運(yùn)場館的分布情況以及亞運(yùn)服務(wù)相關(guān)信息。如圖8所示。

圖8 三維景觀地圖的瀏覽

4.2 二三維聯(lián)動切換顯示

三維景觀數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是直觀，而二維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢是傳統(tǒng)——公眾已經(jīng)習(xí)慣使用二維影像或地圖。經(jīng)由圖像軟件處理后的三維景觀地圖，本質(zhì)上仍然是采用圖像坐標(biāo)的，要實(shí)現(xiàn)二維地圖與三維景觀的聯(lián)動必然會涉及圖像坐標(biāo)與地理坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可采用二次仿射變換方程，式(1)為從地理坐標(biāo)到圖像坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，式(2)為從圖像坐標(biāo)到地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

其中，w，h為圖像坐標(biāo)，x，y為地理坐標(biāo)。

網(wǎng)站提供兩種不同類型地圖的切換功能:二維電子地圖和三維景觀地圖，如單擊二維電子地圖按鈕，可以從二維地圖切換到三維景觀地圖并自動定位到相同的位置，反之亦然。在二三維聯(lián)動切換過程中，為了保持視覺上一致性，二三維地圖的顯示比例尺需保持一致。如圖9所示。

圖9 二三維切換顯示

4.3 亞運(yùn)專題的三維地圖查詢服務(wù)

亞運(yùn)專題的三維地圖查詢、瀏覽、定位服務(wù)等功能是整個網(wǎng)站的核心，網(wǎng)站首頁以列表的形式向用戶展示了所有的亞運(yùn)專題(包括亞運(yùn)場館、涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等)，比如選取任一場館，網(wǎng)站將在地圖窗口中居中顯示該場館，同時提供場館介紹、平面位置、賽事安排等與亞運(yùn)有關(guān)的服務(wù)。

另外，網(wǎng)站提供亞運(yùn)專題的三維快速精確查詢和檢索功能，包括圖查屬性和屬性查圖的雙向查詢功能，可以從空間圖形查詢屬性信息，也可根據(jù)一定的屬性條件查詢空間圖形，即實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的交互查詢，并且可以做一些簡單的分析，查詢方式方便快捷，表現(xiàn)形式生動多樣、簡單直觀。如圖10所示。

圖10 亞運(yùn)專題的三維地圖查詢

5 結(jié)語

為了迎接廣州亞運(yùn)，開發(fā)并建設(shè)了廣州市城市三維景觀地圖網(wǎng)站，通過對網(wǎng)站的數(shù)據(jù)建設(shè)、功能開發(fā)等技術(shù)方案進(jìn)行闡述，得出如下主要結(jié)論:

(1)通過城市三維景觀地圖的編制，成功摸索出一套采用GIS、三維建模、虛擬仿真等新技術(shù)進(jìn)行三維景觀地圖制圖的工藝和方法。

(2)經(jīng)過三維建模軟件渲染并用于網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布的三維景觀地圖數(shù)據(jù)，已沒有地理坐標(biāo)的概念，為了能實(shí)現(xiàn)在三維景觀地圖上的建筑物查詢功能，需事先制作圖像坐標(biāo)的建筑物外框多邊形，并把相關(guān)的屬性信息賦值到該多邊形中。

(3)三維(2.5維)地圖在從網(wǎng)絡(luò)二維地圖到網(wǎng)絡(luò)真三維的發(fā)展歷程中起到了承上啟下的作用。

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