三維城市建模過程中的質(zhì)量控制

卞玉霞，謝剛生

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，廣東廣州510642)

三維城市建模過程中的質(zhì)量控制

卞玉霞，謝剛生

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，廣東廣州510642)

通過分析三維城市建模的流程及誤差來源，歸納三維城市建模過程中質(zhì)量控制的指標(biāo)體系，并通過分析“數(shù)字合肥”項(xiàng)目實(shí)施的成效來驗(yàn)證三維城市建模過程中質(zhì)量控制的有效性，為即將大規(guī)模展開的數(shù)字城市建設(shè)的質(zhì)量控制提供參考。

三維城市建模;質(zhì)量控制;數(shù)字合肥

一、引 言

數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)中最基本、最重要的組成部分。據(jù)統(tǒng)計，在一個完整的GIS系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)建設(shè)的費(fèi)用大約占總投資的80%。數(shù)據(jù)的質(zhì)量是決定數(shù)據(jù)價值的核心因素之一，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)能夠確保正確的分析和決策，低質(zhì)量的數(shù)據(jù)往往會產(chǎn)生錯誤的決策。

三維仿真系統(tǒng)在城市規(guī)劃、城市管理輔助決策中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是三維模型數(shù)據(jù)的采集、制作、更新和維護(hù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而且在三維城市建模中缺乏可適用于城市多尺度復(fù)雜對象的模型標(biāo)準(zhǔn)，對真實(shí)對象的三維模擬較多地依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和技巧，這在一定程度上制約著三維仿真更加深入的應(yīng)用。本文針對三維城市建模的流程，分析誤差來源，結(jié)合《城市測量規(guī)范》(GJJ8—99)和《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(CJJ100—2004)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)歸納三維城市建模過程中質(zhì)量控制體系，并通過分析“數(shù)字合肥”項(xiàng)目的實(shí)施過程及成效，驗(yàn)證三維城市建模過程中質(zhì)量控制體系的可靠性。

二、三維城市建模的生產(chǎn)流程

“數(shù)字城市”是以計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用3S技術(shù)、遙測、仿真-虛擬技術(shù)等對城市進(jìn)行多分辨、多尺寸、多時空和多種類的三維描述，利用信息技術(shù)手段把城市的過去、現(xiàn)狀和未來全部在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)階段，三維城市模型的建模主要是基于圖像處理軟件和建模軟件制作三維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字地形圖，依靠VRP虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺或ArcGIS等二次開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)模型的管理和可視化。

通過大量分析已試運(yùn)行的三維城市模型的實(shí)施過程，目前三維城市建模的生產(chǎn)流程大體如圖1所示。

圖1 三維城市建模的生產(chǎn)流程

三、三維城市建模過程中的誤差分析

1.數(shù)據(jù)采集過程中的誤差

數(shù)字高程模型(DEM)是三維城市建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在三維城市建模過程中，DEM的質(zhì)量直接影響地物模型與地面是否正確匹配與相切，DEM的分辨率直接影響三維城市建模的質(zhì)量。

城市正射影像(DOM)是三維建模的重要數(shù)據(jù)，DOM結(jié)合DEM能夠形象地展示城市地貌。所以DOM的分辨率也是影響三維城市建模質(zhì)量的因素。除此之外，DOM影像的接邊效果也會對三維城市建模質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。

數(shù)字線劃圖(DLG)是矢量空間數(shù)據(jù)的重要來源，作為空間定位的數(shù)據(jù)源，DLG影響著三維模型的空間位置。DLG的地物幾何精度影響模型的平面精度。此外，DLG的數(shù)據(jù)質(zhì)量和DEM的分辨率不統(tǒng)一也會產(chǎn)生地物模型和地表不相切的問題。

紋理數(shù)據(jù)決定三維城市模型的整體效果和逼真程度。在拍攝建筑物等實(shí)體時，拍攝環(huán)境和人為因素會影響紋理影像的真實(shí)性，從而影響到三維城市模型的視覺效果。

2.數(shù)據(jù)處理過程中的誤差

紋理影像數(shù)據(jù)處理是利用圖像處理軟件進(jìn)行操作的。影像像素的大小會影響后期紋理數(shù)據(jù)的可視化和顯示速度，軟件本身誤差和人為操作的誤差不可避免地會影響紋理影像處理過程中的質(zhì)量。

模型的制作是利用3ds Max等建模軟件，利用DLG數(shù)據(jù)的幾何大小和元數(shù)據(jù)信息模擬城市現(xiàn)狀的過程。在對復(fù)雜建筑物模型頂部進(jìn)行整合時，在追求逼真性的同時，還需要考慮面片距離對后期模型可視化的影響，由于建模軟件和DLG顯示平臺的差異，會產(chǎn)生模型位置誤差。同樣，軟件本身誤差和人為誤操作的影響將不可避免地影響模型制作過程中的質(zhì)量。

3.數(shù)據(jù)管理和可視化過程中的誤差

數(shù)據(jù)庫管理過程中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、紋理映射、坐標(biāo)校正等過程會產(chǎn)生誤差。數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換會丟失數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量;空間紋理像素映射到屏幕的過程會影響紋理數(shù)據(jù)的質(zhì)量;由于建模軟件與數(shù)據(jù)管理平臺之間坐標(biāo)的差異，造成模型入庫過程中的偏移。

四、三維城市建模過程中的質(zhì)量控制

1.數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)

在選取DEM時，需要分析DEM的分辨率，同時還要盡可能地獲取地貌中必要的特征點(diǎn)和特征線。

根據(jù)《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GJJ8—99)中的相關(guān)規(guī)定，歸納出在選取DEM時應(yīng)該參考相關(guān)要求，如表1所示。

在選取DOM時，應(yīng)考慮DOM的地表分辨率和地物的幾何精度;相鄰DOM影像鑲嵌處的接邊有相關(guān)的規(guī)定。根據(jù)《城市測量規(guī)范》(CJJ8—99)中的相關(guān)規(guī)定，總結(jié)出在選取DOM的過程中應(yīng)該參照的要求，如表2所示。

表1

表2 m

DLG是城市地形要素的主要表達(dá)形式。在《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(CJJ100—2004)中對DLG的質(zhì)量作了要求。

1)幾何精度。根據(jù)比例尺的大小，城市DLG的平面精度、基本等高距和高程精度不同;相鄰存儲單元要素的幾何位置應(yīng)該接邊也有規(guī)定。

本文結(jié)合《城市測量規(guī)范》(CJJ8—99)中的相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)出在選取DLG的過程中應(yīng)該參照的相關(guān)要求，如表3所示。

表3 m

2)圖形質(zhì)量。DLG的圖形表示應(yīng)正確并符合現(xiàn)行圖式的規(guī)定;由DLG生成的可視化圖形應(yīng)整潔、清晰、美觀，無遺漏、無明顯變形。

3)屬性精度。地形要素的分類編碼應(yīng)正確無誤;地形要素的屬性信息應(yīng)完整、正確;相鄰存儲單元同一要素的屬性信息應(yīng)一致。

4)邏輯一致性。面狀區(qū)域應(yīng)閉合，屬性應(yīng)一致;結(jié)點(diǎn)匹配應(yīng)準(zhǔn)確，線段相交應(yīng)無懸掛點(diǎn)或過頭現(xiàn)象;要素應(yīng)具有唯一性，幾何類型和空間拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)正確;相關(guān)要素處理應(yīng)正確。

5)完整性。地形要素應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市測量規(guī)范》(GJJ8—99)規(guī)定的取舍要求，無遺漏;地形要素的幾何描述應(yīng)完整;數(shù)據(jù)的分層與組織應(yīng)正確，不得有重復(fù)或遺漏;注記應(yīng)完整、正確。

經(jīng)過長時間的紋理影像采集，總結(jié)出在紋理數(shù)據(jù)的采集過程中需要注意:

1)選擇光線較為柔和均勻的天氣，按照正視角度進(jìn)行拍攝，應(yīng)避免逆光拍攝。

2)拍攝地物所有方向的表面影像。有重復(fù)單元的表面，宜拍攝局部;無重復(fù)單元的表面，應(yīng)拍攝完整表面。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或無法正視拍攝的表面，應(yīng)進(jìn)行多角度拍攝，并利用圖像處理軟件進(jìn)行拼接處理。

3)根據(jù)不同細(xì)節(jié)層次的模型確定拍照需要表現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

4)拍攝有代表性的表面影像，制作材質(zhì)庫。

屬性數(shù)據(jù)采集應(yīng)該符合下列規(guī)定:

1)各類地物模型數(shù)據(jù)的屬性字段根據(jù)地方使用習(xí)慣與應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整。

2)屬性數(shù)據(jù)采集宜與框架數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)的采集同步進(jìn)行，而且應(yīng)保證數(shù)據(jù)的一致性。

3)實(shí)地調(diào)查采集數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行內(nèi)業(yè)校核檢查，保證建模地物的屬性信息完整。

2.數(shù)據(jù)處理與制作標(biāo)準(zhǔn)

在處理紋理影像時，應(yīng)該做到:

1)紋理影像整體色調(diào)均勻，真實(shí)美觀。

2)對影像的變形部分作糾正處理，減少視角或鏡頭畸變引起的變形。

3)對影像進(jìn)行圖像處理，使紋理數(shù)據(jù)不含有建模影像以外的其他影像。

4)對影像進(jìn)行比例變換，使同一細(xì)節(jié)層次模型的紋理具有相近的分辨率。

5)作紋理拼接時，應(yīng)保證圖像細(xì)節(jié)表現(xiàn)清晰，無拼接鑲嵌縫隙。

模型制作過程中應(yīng)符合下列要求［2］:

1)模型建造單元分區(qū)。在模型建設(shè)前，應(yīng)根據(jù)城市現(xiàn)狀對建模區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，作為模型建造的基本單元;在建設(shè)過程中，先對典型區(qū)域進(jìn)行試點(diǎn)，然后逐步鋪開。

2)模型坐標(biāo)系要統(tǒng)一。為使三維模型能夠順利、正確地導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，所有坐標(biāo)都應(yīng)基于統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

3)模型的基本單位為米。城市大比例尺地形圖通常采用平面坐標(biāo)系，以米為單位，因此模型建造應(yīng)以米為單位，按實(shí)際地物的實(shí)際尺寸建模。在建模的過程中，應(yīng)該保證三維模型底部的平面精度和模型的高程精度。中華人民共和國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已對三維模型的精度進(jìn)行了規(guī)范，具體如表4所示。

4)模型制作必須使用捕捉工具。禁止產(chǎn)生漏縫模型或重疊閃爍現(xiàn)象。

5)禁止使用鏡像工具，如有鏡像物體必須使用XFORM工具，再使用NORMAL翻轉(zhuǎn)法線，避免導(dǎo)入平臺后模型偏移、飛出或軸心點(diǎn)錯誤。

表4 m

6)一般圓柱用6段或8段表示，復(fù)雜的或直徑較大的圓柱用12段表示。

7)模型的制作要盡量減少面片的數(shù)量。考慮到模型數(shù)據(jù)量的問題，在保持地物形狀和特征的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少面片的數(shù)量，同時還要注意模型中重面的現(xiàn)象。

3.數(shù)據(jù)的管理與可視化標(biāo)準(zhǔn)

為了保證三維城市模型數(shù)據(jù)的管理和可視化，應(yīng)注意:

1)盡量優(yōu)化模型，在保證模型符合現(xiàn)實(shí)的前提下，盡量減少模型的面數(shù)。

2)應(yīng)保證紋理圖貼的圖像大小為2n，保證三維模型的可視化。

3)在模型坐標(biāo)歸位過程中，考慮建模軟件和數(shù)據(jù)可視化平臺之間坐標(biāo)差異，減少模型和地形圖之間的誤差。

4)數(shù)據(jù)格式也影響數(shù)據(jù)之間的精度，應(yīng)分析研究建模軟件導(dǎo)出的各種模型的格式。選擇合格的模型保存，保證模型入庫的位置精度。

五、實(shí)例分析

為了驗(yàn)證三維城市建模中質(zhì)量控制體系的有效性，本文以數(shù)字合肥項(xiàng)目的實(shí)施為例，分析評價三維城市建模中質(zhì)量控制體系的成效。

從2005年提出“數(shù)字城市”建設(shè)以來，國家測繪局已分批在全國29個省、自治區(qū)、直轄市選定了130多個試點(diǎn)和推廣城市，開展了“數(shù)字城市”的建設(shè)。2008年，國家測繪局下發(fā)了《關(guān)于批準(zhǔn)列入2008年數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)試點(diǎn)的通知》，將合肥市列入國家數(shù)字城市試點(diǎn)城市。在“數(shù)字合肥”項(xiàng)目的實(shí)施過程中，根據(jù)該項(xiàng)目的目標(biāo)和內(nèi)容，采用下列實(shí)施流程，如圖2所示。

“數(shù)字合肥”的建設(shè)是結(jié)合項(xiàng)目要求，運(yùn)用本文提到的三維城市建模標(biāo)準(zhǔn)，制定適合合肥市三維建模工作的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并結(jié)合項(xiàng)目生產(chǎn)流程實(shí)施。同時，“數(shù)字合肥”項(xiàng)目還成立了專門的質(zhì)檢小組，運(yùn)用Deep Exploration軟件對三維建模過程中可能存在的質(zhì)量問題進(jìn)行檢查和評定，對紋理影像的收集和處理、模型的制作和管理過程進(jìn)行質(zhì)量控制，保證項(xiàng)目的最終成果。

圖2 數(shù)字合肥項(xiàng)目的實(shí)施流程

六、結(jié)束語

本文通過分析三維城市建模的流程及誤差來源，歸納了三維城市建模過程中質(zhì)量控制的指標(biāo)體系，并通過分析“數(shù)字合肥”項(xiàng)目實(shí)施的成效來驗(yàn)證三維城市建模過程中質(zhì)量控制的有效性。為即將大規(guī)模展開的數(shù)字城市建設(shè)的質(zhì)量控制提供了一個參考。三維城市建模過程中質(zhì)量控制還沒有一個完整的指標(biāo)體系，所以還需要進(jìn)一步深化和研究三維城市建模中的質(zhì)量控制體系。

［1］ 趙中元，高山，林蘇靖.三維數(shù)字城市建模精度與制作標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.數(shù)字城市，2010(8):17-19.

［2］ 北京市測繪設(shè)計研究院.GJJ8—99城市測量規(guī)范［S］.北京:中華人民共和國建設(shè)部，1999.

［3］ 中國建筑工業(yè)出版社.CJJ100—2004城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］ 李華瑋，朱宜萱，朱慶.3維城市模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的全面質(zhì)量控制［J］.測繪通報，2004(2):57-59.

Quality Control of Three-dimensional Urban Modeling

BIAN Yuxia，XIE Gangsheng

0494-0911(2011)07-0021-03

P208

B

2011-05-04

卞玉霞(1987—)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士生，研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用。