小區(qū)域景觀的三維可視化

王 猛，田 豐

(中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

小區(qū)域景觀的三維可視化

王 猛，田 豐

(中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116)

現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性決定了其在計(jì)算機(jī)中表達(dá)的復(fù)雜性，三維模型的構(gòu)建成為3DGIS中亟待解決的一個(gè)核心問題。探討了三維建模思想以及建模方法，并以ArcGIS和SketchUp交互建模方法為例，論述了三維建模流程以及注意事項(xiàng)，通過模型庫的構(gòu)建，提高了該方法在小區(qū)域內(nèi)景觀的三維快速構(gòu)建效率，所得的模型為3DGIS提供了數(shù)據(jù)源。實(shí)踐表明，在有限的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件下，該方法具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。

三維地理信息系統(tǒng)；小區(qū)域；建模；可視化

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”等工程的相繼啟動(dòng)以及GIS應(yīng)用的深入，人們越來越多地要求在真三維空間來處理問題，工作的重點(diǎn)和研究范圍開始轉(zhuǎn)向較小的領(lǐng)域，如礦山、地質(zhì)、石油等，小區(qū)域的三維可視化已成為數(shù)字化領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方面。它給人們一種全新的工作生活理念，幫助人們更好地建立起全局觀念與模擬直觀感，為相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和管理部門對區(qū)域規(guī)劃、建設(shè)、管理的問題決策，提供準(zhǔn)確的信息支撐及直觀、真實(shí)的可視化和互動(dòng)操作環(huán)境[1,2]。3DGIS所要表達(dá)的現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)真三維的幾何空間，需要更為直觀的空間信息展示，但GIS本身在三維數(shù)據(jù)建模及可視化等方面功能相對薄弱，這決定了其無法直接對復(fù)雜現(xiàn)實(shí)世界的三維可視化。本文針對3DGIS中數(shù)據(jù)問題，以小區(qū)域?yàn)檠芯糠秶?，探討了運(yùn)用ArcGIS和SketchUp實(shí)現(xiàn)三維模型快速構(gòu)建的方法。

1 三維建模的原理

1.1 三維建模思想

圖1是三維模型構(gòu)建的過程。顯然，現(xiàn)實(shí)世界僅是三維可視化的邏輯對象，概念模型才是三維可視化的實(shí)體對象。三維模型的任務(wù)是客觀準(zhǔn)確地記錄和恢復(fù)概念模型，而概念模型取決于人們對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)和抽象，人們對現(xiàn)實(shí)世界的抽象程度在一定程度上決定了三維建模的方式以及三維模型的逼真程度。因此，三維模型在表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要和有限的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件進(jìn)行相應(yīng)的綜合取舍與簡化，而無需全部逼真表達(dá)[3]。所建立的三維模型應(yīng)該在表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界特征的前提下，簡化不必要的細(xì)節(jié)信息，保留甚至夸大最能代表地物顯著特征的部分，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[4]。

圖1 三維模型構(gòu)建過程

1.2 三維可視化方法

早期人們將遙感影像與DEM疊加生成三維地形景觀，這種方法構(gòu)造的區(qū)域景觀缺乏立體感。隨后，人們在2DGIS基礎(chǔ)之上另外添加一些高度信息，按照高度拉伸來構(gòu)建三維模型。這樣可以方便地構(gòu)建大范圍簡易的三維建筑模型，但這類模型難以表達(dá)復(fù)雜的景觀實(shí)體，模型真實(shí)感少。目前部分學(xué)者研究利用三維建模工具等方法對景觀實(shí)體進(jìn)行建模，模型具有較強(qiáng)的真實(shí)感，因而更接近3DGIS中所需要的三維數(shù)據(jù)模型。

目前的三維建模方法主要集中在：從遙感影像中自動(dòng)提取建筑物，直接對建筑物或表面進(jìn)行建模；基于車載、機(jī)載等三維激光掃描系統(tǒng)三維重建；基于Direct3D、OpenGL、ArcGIS Engine等結(jié)合開發(fā)工具以編程的方式進(jìn)行三維重建；利用三維模型可視化工具3DMax、MultiGen Creator、Skyline、AutoCAD 以及Google SketchUp等進(jìn)行三維重建。根據(jù)遙感影像直接建模適合大區(qū)域三維重建，但其模型質(zhì)量差；三維激光掃描系統(tǒng)儀器昂貴，且其后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；開發(fā)的方式建模其算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不能有效地構(gòu)建復(fù)雜建筑物；利用三維建模工具可以實(shí)現(xiàn)逼真的三維建模，但其數(shù)據(jù)量不宜過大。

在小區(qū)域中，除了精細(xì)的三維可視化外，還需要具有相應(yīng)的空間分析功能，而 ArcGIS平臺(tái)在傳統(tǒng)的GIS領(lǐng)域占有相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~，如果用SketchUp進(jìn)行三維精細(xì)建模，將模型存儲(chǔ)于Geodatabase，采用ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行可視化與空間分析，將無疑具有較大的優(yōu)勢[5]。

2 數(shù)據(jù)獲取與模型庫的構(gòu)建

2.1 三維建模數(shù)據(jù)獲取

在小區(qū)域中要進(jìn)行 3D描述的主要是建筑物、地形、植被、道路、獨(dú)立地物等，所需要的數(shù)據(jù)獲取主要分為：三維地形的獲取、幾何數(shù)據(jù)的獲取和紋理數(shù)據(jù)的獲取。

1）三維地形數(shù)據(jù)即數(shù)字高程模型（DEM），一般從現(xiàn)有的地圖資料或通過實(shí)地測量的方式獲取高程點(diǎn)、等高線、斷線等，使用TIN、ANUDEM等方法生成三維地形。

2）幾何數(shù)據(jù)包括建筑物、道路等地表平面的輪廓線、獨(dú)立地物位置以及建筑物高度。平面數(shù)據(jù)可以從航空影像或高分辨率遙感影像中數(shù)字化獲取，也可以利用現(xiàn)有的地圖數(shù)據(jù)或傳統(tǒng)測繪手段獲取。在 2DGIS的建筑物專題信息數(shù)據(jù)庫中就包含建筑物高度或樓層信息，也可到實(shí)地考察獲取建筑物高度。

3）為了更真實(shí)地表達(dá)具有真實(shí)感的三維景觀，需要獲取模型的紋理數(shù)據(jù)。紋理數(shù)據(jù)的獲取包括頂部紋理和側(cè)面紋理2個(gè)部分的獲取。頂部的紋理數(shù)據(jù)可以由航空影像或高分辨率遙感影像直接獲取，方便而且快捷；側(cè)面的紋理數(shù)據(jù)由相機(jī)拍攝大量的地物側(cè)面照片中獲取，其優(yōu)點(diǎn)是所建模型真實(shí)感強(qiáng)。

2.2 模型庫的構(gòu)建

建模區(qū)域許多景觀局部大小相似或景觀的區(qū)別僅僅在于幾何位置的差異，通過構(gòu)建景觀模型庫，能夠減少重復(fù)的建模工作量，有效提高工作效率。

小區(qū)域景觀模型庫主要可分為2大類：模型庫和紋理庫。模型庫包括建筑物特征庫和獨(dú)立地物模型庫，建筑物特征模型庫包括門、窗戶等；獨(dú)立地物模型庫包括具有相同的外型的路燈、電話亭、樹等。紋理庫包括瓷磚、植被、水體、瀝青、混凝土等。模型庫中的特征模型和地物模型采用SketchUp軟件完成，紋理庫中的紋理原始圖片在 Photoshop軟件中經(jīng)糾正、裁切、修補(bǔ)等操作，最后入庫存儲(chǔ)，為后續(xù)快速建模奠定基礎(chǔ)[6]。

3 基于ArcGIS和SketchUp的三維建模與可視化

使用ArcGIS和SketchUp所建立的三維模型，與3ds、flt、vrl等格式模型通過三維標(biāo)注符號(hào)顯示在地圖數(shù)據(jù)上不同，在ArcGIS中，它擁有正確的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠保證二、三維數(shù)據(jù)的一致性，能夠和DEM、遙感影像等數(shù)據(jù)協(xié)同工作。

3.1 三維建模流程

地形數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù)的采集，紋理數(shù)據(jù)與映射主要用于提供逼真的視覺標(biāo)識(shí)，三維模型是紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的載體[7]。利用 SketchUp和ArcGIS進(jìn)行小區(qū)域三維建模其流程如圖2所示。首先在 ArcMap中對二維數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)涮幚?，利用高程點(diǎn)、等高線等生成DEM，添加正確的坐標(biāo)系統(tǒng)；利用SketchUp 6GISPlug-In插件將二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUp中；紋理數(shù)據(jù)利用Photoshop軟件進(jìn)行圖片處理，形成高質(zhì)量的紋理數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)入的數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)在SketchUp中共同進(jìn)行三維建模；最后，在將模型導(dǎo)出到MultiPatch格式的地理空間數(shù)據(jù)庫的過程中，添加屬性，在ArcScene或ArcGlobe中進(jìn)行三維可視化。

圖2 三維建模流程

3.2 SketchUp三維建模

SketchUp建模之所以靈活和高效，一方面是由于它對面和體的建模和編輯的簡便性，另一方面是它能夠充分利用系統(tǒng)本身自帶的模型庫以及制作的模型庫。

1）點(diǎn)狀對象建模。點(diǎn)狀對象多為行樹、路燈、公用電話、垃圾筒等獨(dú)立地物，使用提前制作的模型庫中的模型，根據(jù)點(diǎn)的位置匹配，平面坐標(biāo)決定其的平面位置，高度、角度控制其比例因子和旋轉(zhuǎn)因子。

2）線狀對象建模。線狀對象主要包括三維管道等的建模。在 SketchUp軟件中，根據(jù)線狀對象起始點(diǎn)、斷面形狀、高度等信息，以拉伸的方式進(jìn)行三維建模，并填充相應(yīng)的紋理。

3）面狀對象建模。面狀對象包括建筑物、草坪、道路、河流等，這類對象表現(xiàn)豐富，進(jìn)行建模的難點(diǎn)也最大。對于草坪、道路、河流等的建模，根據(jù)建模底圖形成封閉的面，填充相應(yīng)的紋理即可；對建筑物的建模，根據(jù)底圖得到其輪廓，拉伸得到初步框架并進(jìn)行細(xì)部修改，使用模型庫中的紋理進(jìn)行相應(yīng)的填充；對于特別復(fù)雜的建筑物，如煤礦工業(yè)廣場主井的井架，則需要結(jié)合點(diǎn)、線、面對象建模相結(jié)合的方式建模。

3.3 建模過程中應(yīng)注意的問題

1）坐標(biāo)問題。在 ArcGIS中的建模數(shù)據(jù)必須定義好坐標(biāo)系。一方面，SketchUp模型可以以MultiPatch格式導(dǎo)出到地理空間數(shù)據(jù)庫；另一方面，模型擁有正確的坐標(biāo)，可以在GIS平臺(tái)中正確顯示，便于查詢和空間分析。

2）共面或紋理缺失問題。共面問題一般是多個(gè)面重疊在一起，或者多個(gè)面之間的距離非常小，在瀏覽三維場景時(shí)會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象。解決辦法是刪除多余的線和面，確定面的唯一性，如果2個(gè)面之間的距離非常近，可以用一個(gè)面來表示以防止產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。模型導(dǎo)出時(shí)部分紋理缺失主要原因是在SketchUp中紋理貼在面的反面[5]。

4 方法實(shí)現(xiàn)及效果

根據(jù)上述建模思想，筆者結(jié)合皖北煤電集團(tuán)劉橋一礦的“數(shù)字礦山”項(xiàng)目，基于ArcGIS和SketchUp的三維建模方法實(shí)現(xiàn)了其工業(yè)廣場的三維建模與可視化，部分效果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中地形數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)來自該煤礦的1∶500工業(yè)廣場平面圖(CAD)，紋理數(shù)據(jù)通過數(shù)碼相機(jī)攝取建筑物外圍表面，對所得的相片進(jìn)行提取和處理獲得。實(shí)踐表明，該方法成本低、所建模型效果良好。

圖3 工業(yè)廣場部分效果圖

5 結(jié)語

本文以小區(qū)域?yàn)檠芯糠秶?，探討了ArcGIS和SketchUp在現(xiàn)實(shí)世界中三維模型的快速構(gòu)建方法，是對3DGIS中三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的一次有益嘗試?；谶@種方法進(jìn)行小區(qū)域的三維可視化保證了三維模型的逼真度，降低了對專業(yè)建模人員的限制和三維建模的成本，在小區(qū)域三維可視化中擁有廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著社會(huì)發(fā)展的需要，室內(nèi)三維建模與可視化也越來越重要，將室內(nèi)和室外聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)定位、查詢等3DGIS所需的多維空間分析還有待進(jìn)一步研究。

[1] 朱慶,李德仁,龔健雅,等.數(shù)碼城市GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2001,26(1):8-11

[2] 劉增良,陳品祥,賈光軍,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用研究與實(shí)踐[J].測繪通報(bào),2010(5):45-47

[3] 朱慶,高玉榮,危擁軍,等.GIS中三維模型的設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003,28(3):283-287

[4] 朱國敏,馬照亭,孫隆祥,等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(4):29-32

[5] 許捍衛(wèi),范小虎,任家,等.基于SketchUp和ArcGIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報(bào),2010(3):52-54

[6] 王繼周,李成名.城市景觀三維模型庫的原理、構(gòu)建及應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2007,32(4):20-22

[7] 夏春林,王佳奇.3DGIS中建筑物三維建模技術(shù)綜述[J].測繪科學(xué),2011,36(1):70-72

Research on 3D Visualization in Small Regional Landscape

by WANG Meng

The complexity of the real world determines its complex expression with computers.The construction and visualization of 3D Model is a core problem which requires to be solved immediately in 3DGIS.This paper discussed the idea of the 3D modeling and the modeling methods,and in the case of ArcGIS and SketchUp interactive modeling method,described the modeling process and a few matters needing attention.The construction of model databases improved the efficiency of the method in 3D modeling.The models making by thismethod provided a data source for 3DGIS.Practice showsthat the method is feasible and practical in limited economic and technical conditions.

3DGIS，small areas，modeling，visualization

2012-01-04

項(xiàng)目來源：國家環(huán)保部公益性行業(yè)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目 (200809128)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50774080)。

P208

B

1672-4623(2012)03-0094-03

王猛，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS軟件開發(fā)與應(yīng)用。