精細(xì)化真三維數(shù)字城市研究

河南省測繪工程院 宋新龍 肖 鋒 田耀永 侯 岳

精細(xì)化真三維數(shù)字城市研究

河南省測繪工程院 宋新龍 肖 鋒 田耀永 侯 岳

當(dāng)前，三維數(shù)字城市是城市信息化發(fā)展的一個(gè)重要方向，也是GIS（Geographic Information Systerm）技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。三維數(shù)字城市的建立能夠全方位和直觀地為人們提供有關(guān)城市的各種具有真實(shí)感的場景信息，它綜合運(yùn)用了GIS、遙感、遙測、網(wǎng)絡(luò)、多媒體和虛擬仿真等高科技手段，為人們提供了一種全新的城市規(guī)劃建設(shè)理念和工作生活環(huán)境。它能夠適應(yīng)并預(yù)測城市的變化，尤其是GIS的空間信息綜合處理能力與直觀變現(xiàn)能力，在處理城市復(fù)雜系統(tǒng)問題時(shí)，能夠幫助人們更好地建立全局觀念和模擬直觀感。因此，對三維數(shù)字城市的研究不僅具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且是亟待人們解決的問題之一。本文，筆者根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套精細(xì)化真三維數(shù)字城市的制作流程，現(xiàn)作以下闡述。

一、三維模型建造

1.三維模型的建造。三維數(shù)字城市需要建模的區(qū)域很大且數(shù)量較多，如果全部依靠手工建模，將花費(fèi)大量的人力和物力。本文，筆者利用航測內(nèi)業(yè)采集的房屋線劃圖，設(shè)計(jì)開發(fā)了三維建模程序，能夠?qū)δＰ徒ㄔ爝M(jìn)行自動(dòng)化處理，從而實(shí)現(xiàn)了高精度快速批量建模，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)成本。

2.建拱程序的工作流程。建拱程序采用ObjectARX SDK和Visual Studio 2005的開發(fā)環(huán)境，在AutoCAD 2008平臺(tái)下研發(fā)而成。AutoCAD 2008作為一個(gè)2.5維的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其三維二次開發(fā)比平面二次開發(fā)難度大得多。在AutoCAD 2008里對“體”的操作比較復(fù)雜，因此在程序編寫中采用brep技術(shù)部，按照sliod（體）—region（面域）—face（面）—loop（環(huán)）—edge（邊）—node（點(diǎn)）的順序構(gòu)建。建拱程序利用航測內(nèi)業(yè)采集的房屋線劃圖，在保證平面精度的基礎(chǔ)上，不僅可以自動(dòng)完成房屋圖形的處理和房屋的三維建模，而且還能夠通過航測采集到的房屋頂部高程和地面高程，精確地控制房屋的高度，且模型生成的數(shù)據(jù)格式能與3D MAXS進(jìn)行無縫銜接。

二、地表紋理的構(gòu)建

目前，三維地圖地表模型大多是通過手工構(gòu)建的模擬地表紋理，雖然操作較為簡單，但是構(gòu)建地表模型需要耗費(fèi)大量的人力和物力，且缺乏真實(shí)感。因此，本文，筆者在制作三維地圖時(shí)首次采用高清DOM（Digital Ortho Photo）作為地表紋理。在DOM地表紋理覆蓋方面，涉及坐標(biāo)配準(zhǔn)和拼接輸出，由于3D MAXS受輸出窗口的限制，不能把所有模型一起輸出，需要分成許多塊，而在進(jìn)行拼接時(shí)會(huì)出現(xiàn)視角投影差，不像人為建模渲染做出來的紋理可以允許比較大的誤差，基于DOM的地表紋理必須精確拼接。本文，筆者在經(jīng)過不斷探索和反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，最終解決了DOM地表紋理的坐標(biāo)配準(zhǔn)和拼接輸出所帶來的視角投影差問題，主要采用了以下技術(shù)。

1.DOM數(shù)據(jù)的前期預(yù)處理技術(shù)。由于DOM質(zhì)量的參差不齊，可能存在著單張內(nèi)部或者多張之間的明暗和色彩的差異，以及傾斜投影、色調(diào)暗、清晰度不高等問題。并且，在使用DOM作為地表紋理時(shí)，由于地面物體的投影差不能完全被三維模型所覆蓋，也需要進(jìn)行處理。在采用DOM作為地表紋理覆蓋時(shí)，需要對DOM進(jìn)行統(tǒng)一的預(yù)處理，從而消除色差及投影差等一系列問題。首先，利用Geoway ColorPro勻色軟件對DOM進(jìn)行勻色處理。然后，套用相對應(yīng)的DLG數(shù)據(jù)，使用Potoshop將DOM中的建筑物、樹木等高于地面的投影逐個(gè)套取分離出去。再把分離出去的部分用其所在區(qū)域的地表紋理進(jìn)行填充，并對合并邊緣進(jìn)行融合處理，使接縫部位的紋路自然過渡。最后，對預(yù)處理后的DOM進(jìn)行接邊，轉(zhuǎn)換成JPG格式的圖片，按照DLG平面圖比例尺對DOM進(jìn)行分幅保存。

2.網(wǎng)格拼接技術(shù)。三維數(shù)字城市涉及的DOM數(shù)量眾多，這些DOM必須精確無誤地與模型進(jìn)行對接，并在渲染時(shí)保持相同的投影視角和比例，從而消除拼接時(shí)的視角投影差。首先，根據(jù)場景模型的比例建立網(wǎng)格，并按照網(wǎng)格對DOM進(jìn)行分幅處理，以DOM的圖號作為各個(gè)網(wǎng)格的名稱來構(gòu)建網(wǎng)格。然后，將分幅處理后的DOM作為貼圖紋理分別賦予對應(yīng)的網(wǎng)格，調(diào)整每塊貼圖的大小使影像貼圖恰好布滿整個(gè)網(wǎng)格。最后，合并場景模型與大地地面，創(chuàng)建燈光并調(diào)試燈光參數(shù)，以使光線效果接近自然界的真實(shí)效果。

3.渲染視口設(shè)置技術(shù)。使用渲染視口設(shè)置技術(shù)可以有效解決渲染輸出后的視角投影差以及無法精確拼接的問題。設(shè)置渲染視口技術(shù)不但可以使將要進(jìn)行渲染的三維模型與地表紋理保持相同的投影比例和視角，還能夠保證一定的重疊度，便于工作人員以后的整體拼接。

3D MAXS的透視圖為立體視圖，在渲染輸出地表紋理時(shí)，由于立體視圖的視角投影差問題，輸出的三維地圖會(huì)因?yàn)榫嚯x的遠(yuǎn)近而產(chǎn)生變形，從而無法實(shí)現(xiàn)精確量測以及拼接。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)3D MAXS里的平面視圖頂視圖是根據(jù)屏幕柵格建立的，對其旋轉(zhuǎn)45°相當(dāng)于將二維地圖在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了45°，這樣渲染輸出的成果能夠保持平面地圖的精度而不發(fā)生變形。因此，采用對平面視圖進(jìn)行立體旋轉(zhuǎn)的方法可以得到最終的渲染窗口。由于場景面積過大，不可能把所有模型一起輸出，因此要分成許多塊。而在進(jìn)行拼接時(shí)，DOM地表紋理必須進(jìn)行精確的拼接。這就需要在輸出時(shí)必須確保每塊的規(guī)格相同，且要達(dá)到一定的重疊度。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)了使用3D MAXS的輸出安全框結(jié)合網(wǎng)格來控制每塊輸出成果規(guī)格的方法。通過對平面視圖旋轉(zhuǎn)45°后發(fā)現(xiàn)安全框是菱型結(jié)構(gòu)，渲染輸出成果時(shí)，使菱型結(jié)構(gòu)的4個(gè)角對齊輸出安全框，這樣輸出的成果就能保持相同的規(guī)格和一定的重疊度。

通過以上設(shè)定，可以在對平面視圖進(jìn)行立體45°旋轉(zhuǎn)后的窗口內(nèi)，利用渲染安全框?qū)R每塊格網(wǎng)的方法對每塊格網(wǎng)進(jìn)行逐個(gè)渲染，然后只需要對成果進(jìn)行簡單的對齊覆蓋就可以完成地表紋理的拼接并得到真實(shí)的地表紋理。

三、地形構(gòu)建

1.地形構(gòu)建的方法。利用DEM（Digital Elevation Model）建立真實(shí)的地形地貌在GIS中比較容易實(shí)現(xiàn)，但卻無法調(diào)節(jié)紋理的效果和光影效果，且與3D MAXS無法兼容。筆者通過探索和試驗(yàn)，最終形成了基于3D MAXS技術(shù)構(gòu)建地形的方法。該法采用可調(diào)整的大地格網(wǎng)并添加DEM灰度值的方法，實(shí)現(xiàn)了高精度的地形模型構(gòu)建。

2.DEM接邊處理。首先，利用建立地表紋理時(shí)建立的網(wǎng)格創(chuàng)建一個(gè)大地平面，通過調(diào)整平面參數(shù)，增加格網(wǎng)的寬度分段以及長度分段。分段越多，地形表現(xiàn)越細(xì)致，相應(yīng)地也會(huì)大大增加模型的面數(shù)并提高機(jī)器的運(yùn)行負(fù)荷，因此要根據(jù)所建場景的范圍以及表現(xiàn)效果的粗細(xì)程度來綜合考慮。因?yàn)橐院笠獙Ω窬W(wǎng)進(jìn)行置換處理，而置換處理的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)由長度分段和寬度分段組成的矩形格網(wǎng)對應(yīng)的灰度值進(jìn)行偏移實(shí)現(xiàn)地形起伏。分段越多，則每塊矩形格網(wǎng)面積就越小且分布越密集，構(gòu)成的地形也就越細(xì)致。然后，對格網(wǎng)進(jìn)行置換處理，處理中疊加格網(wǎng)所對應(yīng)的DEM灰度圖，調(diào)整置換強(qiáng)度因子，使地形表現(xiàn)符合實(shí)際使用情況。最后，調(diào)整DEM灰度圖，使分幅的DEM灰度圖布滿與其對應(yīng)的大地平面。對建立的地形進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理，根據(jù)地形的表現(xiàn)要求調(diào)整平滑細(xì)分迭代次數(shù)以及平滑度；將地形轉(zhuǎn)化為可編輯網(wǎng)格或可編輯片面，通過調(diào)整各個(gè)節(jié)點(diǎn)對不符合現(xiàn)實(shí)的部分地形進(jìn)行局部微調(diào)；對每塊地形賦予地表紋理，復(fù)制構(gòu)建地表紋理時(shí)的格網(wǎng)到地形底部，使用渲染視口設(shè)置技術(shù)，使渲染出的地形與地表紋理保持相同的規(guī)格，以便于成果的拼接。

四、結(jié)論與展望

以上是筆者在實(shí)際生產(chǎn)中不斷地摸索和總結(jié)出的一套建設(shè)三維數(shù)字城市的技術(shù)和方法。筆者不但在制作中進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，而且還自主研發(fā)了針對實(shí)際生產(chǎn)的系列程序和軟件，大大降低了生產(chǎn)的勞動(dòng)成本和建設(shè)周期，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市大規(guī)模、批量化的生產(chǎn)，為三維數(shù)字城市的建設(shè)提供了技術(shù)保障。