數(shù)字城市三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

　　摘要：三維模型能夠真實(shí)、生動(dòng)地表達(dá)三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點(diǎn)。建筑物的三維建模作為主要的建模內(nèi)容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點(diǎn)。本文基于筆者多年從事數(shù)字城市的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以三維數(shù)字城市為研究對(duì)象。探討了數(shù)字城市中三維建模的主要內(nèi)容和相關(guān)建模方式，并以實(shí)例的方式實(shí)現(xiàn)了三維建筑物建模，結(jié)果表明該思路能滿足實(shí)際應(yīng)用。全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字城市 三維建模
　　中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2012)03(a)-0000-00
　　1 引言
　　“數(shù)字城市”的概念來(lái)源于“數(shù)字地球”，它是“數(shù)字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解層面和切入角度上的差異，目前仍很難對(duì)“數(shù)字城市”內(nèi)涵作確切的定義。但隨著對(duì)“數(shù)字城市”理論與技術(shù)的研究及應(yīng)用探索的不斷深入，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)將會(huì)逐漸趨向統(tǒng)一，并形成對(duì)它的標(biāo)準(zhǔn)定義。
　　三維模型能夠真實(shí)、生動(dòng)地表達(dá)三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點(diǎn)。建筑物的三維建模作為主要的建模內(nèi)容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點(diǎn)。
　　三維地理信息系統(tǒng)的建立，可以和現(xiàn)有的二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等結(jié)合，分別形成三維地籍系統(tǒng)、三維規(guī)劃系統(tǒng)、三維土地利用系統(tǒng)等。這些三維系統(tǒng)具有快速的三維漫游、查詢、定位、統(tǒng)計(jì)、分析、打印輸出等功能，將更好地為“數(shù)字國(guó)土”服務(wù)。三維模型的快速建立與更新，對(duì)維護(hù)三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性、直觀性、更好地為國(guó)土資源利用提供更好的決策，具有十分重要的作用和意義。
　　2三維建模技術(shù)現(xiàn)狀
　　三維城市模型(3DCityModel，3ocM)是地理信息系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量及其相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。盡管3DCM的研究歷史非常短暫，但人們針對(duì)不同的應(yīng)用目的，構(gòu)建了各種具有不同功能的3DCM，具體分為以下幾類：
　　2.1 遙感影像與DEM結(jié)合方式
　　即直接利用DEM生成地形三維透視圖，遙感影像作為紋理映射到地形表面。這種方式只是一種地形景觀，無(wú)法對(duì)地表實(shí)體對(duì)象進(jìn)行三維顯示、空間信息查詢和分層管理。大多數(shù)成熟的商品化GIS系統(tǒng)(如ArcView、MapGuide)己經(jīng)具有這種2.5維的地形顯示功能。
　　2.2 基于2DGIS的構(gòu)建方式
　　即利用現(xiàn)有2DGIS數(shù)據(jù)及其三維屬性信息建立3DCM。該方式包括以下具有代表性的構(gòu)建方法：
　　（1）在二維GIS的基礎(chǔ)上，直接添加一些信息(如房屋高度、墻面紋理等)，使用假定高度和模擬紋理來(lái)構(gòu)建建筑物對(duì)象。這種方法的缺點(diǎn)在于模型真實(shí)感差，對(duì)城市景觀信息的表達(dá)少，另外沒(méi)有考慮DEM。（2）DEM和二維GIS結(jié)合的方式，這種方式用DEM作為建筑物的承載體，表達(dá)地表的起伏，然后使用假定高度和模擬紋理來(lái)構(gòu)建建筑物對(duì)象，比上一種方式更具真實(shí)感。（3）部分2DGIS系統(tǒng)(Arc/Info)發(fā)展了構(gòu)建3DCM的功能模塊，具有初步的量測(cè)功能，但缺乏對(duì)建筑物紋理的提取與處理，景觀表達(dá)的真實(shí)感程度不夠。
　　
　　2.3 純?nèi)S的構(gòu)建方式
　　針對(duì)數(shù)據(jù)獲取方式的差異，純?nèi)S構(gòu)建3DCM方式分以下不同方法：
　　（1）利用地面攝影影像與地面激光掃描儀來(lái)構(gòu)建，這種方法每次采集數(shù)據(jù)范圍受通視條件所限，在建筑群密集地區(qū)難以應(yīng)用；（2）利用衛(wèi)星影像與機(jī)載激光掃描儀來(lái)構(gòu)建，該方法采集數(shù)據(jù)快，但獲取的DEM精度不高；（3）利用航空立體像對(duì)的方法，利用目標(biāo)提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空影像房屋三維數(shù)據(jù)的半自動(dòng)量測(cè)，進(jìn)而在地面與建筑物表面二維半不規(guī)則三角網(wǎng)和原始數(shù)字影像的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)建筑物可見(jiàn)表面紋理恢復(fù)，重建城市三維景觀。
　　3 數(shù)字城市三維建模的關(guān)鍵內(nèi)容
　　目前建筑物三維建模的一般流程如圖1所示。三維空間數(shù)據(jù)的獲取，實(shí)質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù)的采集。三維模型的建立與編輯，三維幾何模型是紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的載體，也是數(shù)碼城市GIS提供各種定量空間解析分析能力的基礎(chǔ)。建筑物表面紋理數(shù)據(jù)主要用于提供逼真的視覺(jué)標(biāo)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)建筑物本身及其相互之間空間關(guān)系的感知和識(shí)別?？梢暬夹g(shù)的運(yùn)用，用于增強(qiáng)用戶與數(shù)據(jù)模型之間的交互操作性能，尤其是與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合，使得用戶沉浸于三維的場(chǎng)景中與模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行交互操作。
　　3.1 三維建模數(shù)據(jù)的獲取
　　三維建模的首要任務(wù)就是要收集建模的數(shù)據(jù)。在城市中存在著眾多的