城市三維立體地圖的研究與制作

胡維陽

吉林省地礦測繪院，吉林 長春 130062

城市三維立體地圖相比于二維地圖，可以讓人們對生活的世界做更加真實(shí)、準(zhǔn)確的認(rèn)識。通過GIS強(qiáng)大的分析功能和逼真的三維立體圖像，人們對整個城市的未來、現(xiàn)在及過去能夠更加動態(tài)、具體、直觀的了解到。通過立體感的三維地圖，讀者在特定的視角下對真實(shí)的世界能夠進(jìn)行全方位地、動態(tài)地觀察，得到的信息不僅豐富，而且最為直接和最具真實(shí)感。

1 城市三維地圖的制作流程

根據(jù)相關(guān)的理論知識，結(jié)合實(shí)地觀測，得出城市三維地圖的制作流程圖見圖1。

2 建立三維模型

將編輯后的三維數(shù)據(jù)和修正后的DEM相結(jié)合，輸入相應(yīng)的地表信息即可建立三維立體框架，之后進(jìn)行不同屬性的構(gòu)面及紋理填充、綠化等處理后即可形成三維立體地圖。再結(jié)合DEM和DOM，運(yùn)用三維可視化軟件及影像快速漫游軟件即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)三維立體地圖的效果。

2.1 采集相關(guān)信息

實(shí)行建筑物高度和地物高程采集，即利用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行高程的提取方法，具體而言這種方法就是利用激光雷達(dá)技術(shù)，從雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取出較為精準(zhǔn)的DEM。同時在計(jì)算機(jī)中存儲獲得的影像資料，在貼紋理中進(jìn)行使用。在拍攝建筑物輪廓的過程中出發(fā)點(diǎn)是高層建筑物的頂層，進(jìn)行組合并對比所獲得的照片，獲得建筑物的輪廓數(shù)據(jù)和實(shí)際外形。如2011年完成的天津中心城區(qū)三維模型的制作，天津中心城區(qū)三維模型制作通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)，任意一條街道的立體實(shí)景圖像從多個不同角度都能夠看到，輕點(diǎn)鼠標(biāo)如同身臨其境，任意穿梭游走在樓宇街道間。圖2為天津的三維地圖。

以激光為主動探測光源的航測傳感器和新型空中偵察系統(tǒng)被稱為機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，對三維數(shù)據(jù)可以高精度、直接、快速而且大范圍的獲取到。這一系統(tǒng)在島嶼測量、數(shù)字三維城市、交通路線設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)有：軟件配備完善， 數(shù)據(jù)處理簡單，提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和系統(tǒng)全面的解決方案；數(shù)據(jù)精度高，回波多層次；操作簡單，集成度高，對各類慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都能夠集成。

圖1 城市三維地圖的制作流程圖Fig. 1 Flow chart of three-dimensional citymap to be drawn

圖2 天津的三維地圖Fig. 2 Three-dimensionalmap of Tianjin City

2.2 生成底圖

二維平面地圖是底圖的基礎(chǔ)，在二維平面地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維地圖的模型建立。所以三維立體地圖的效果會直接受到二維平面地圖精度的影響，當(dāng)空間比例和位置關(guān)系在二維平面地圖中是失真的，此時即使三維立體地圖制作出來了也沒有任何意義。為了避免這種情況，在獲得清晰底層的過程中采用Google Earth進(jìn)行分層次，接著城市完整的底圖的獲取采用Photoshop進(jìn)行合成。所得到的圖片格式為jpg，在AutoCAD中將此圖導(dǎo)入并作為外部參照，之后在文件中復(fù)制二維平面地圖，通過調(diào)整位置使建筑物的位置和比例在二維地形圖中精確地對應(yīng)，就得到了一張精確定位的dwg格式圖。接著在3DS Max中導(dǎo)入制成的底圖，在完成導(dǎo)入后，按照需要的大小縮放視圖中的底圖。

2.3 建立三維模型

2.3.1 選擇建立平臺

考慮到開發(fā)系統(tǒng)的條件和成本，進(jìn)行三維建模使用3DMAX并利用二維CAD基礎(chǔ)。而且為了方便后期將VR－Platform三維互動仿真平臺導(dǎo)入到創(chuàng)建的模型中，在建模的過程中應(yīng)遵循以下原則：盡量簡單的模型、合理的模型分布密度。

2.3.2 建筑物立體模型的生成方法

主要有三種方法：NURBS、片面和多邊形建模。由于多邊形建?？旖莺唵?，所以常被應(yīng)用在建模中；同時建筑物的輪廓在制作底層圖時已經(jīng)繪出，實(shí)體模型的生成是將建筑物輪廓在二維底圖上向上做一定高度的拉伸，這個高度就是根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)生成出的DEM數(shù)據(jù)提取出建筑物最高點(diǎn)高程及地物高程，從而建立起三維立體模型輪廓，建筑物的實(shí)體就出現(xiàn)在地圖上了。同時還要采用布爾運(yùn)算在立體模型建好后對其進(jìn)行進(jìn)一步的修改，其中的運(yùn)算方法包括Subtraction(B-A)、Subtraction(A-B)、Intersection(交)、Union(并)。通過這種運(yùn)算進(jìn)而提高了模型的完美度。

2.3.3 操作步驟

選擇修改對象A物體→在創(chuàng)建面板的菜單中選擇復(fù)合對象→單擊布爾運(yùn)算→選擇運(yùn)算類型→單擊拾取操作對象B→在界面中單擊對象→完成操作。

我們應(yīng)該注意的是，在基礎(chǔ)貼圖方式中很難在布爾運(yùn)算生成的對象中進(jìn)行應(yīng)用，所以在建筑物的造型中最好不要過多的應(yīng)用布爾運(yùn)算。因?yàn)閮蓚€物體相交的前提條件是運(yùn)用布爾運(yùn)算，而一些組件會因?yàn)檫B續(xù)的布爾運(yùn)算而消失。

2.3.4 處理模型外表

處理模型外表涉及到兩個方面：新的材質(zhì)賦予在模型中，也就是控制高光區(qū)和使用三種顏色。大部分基本反射材料可以通過這種方法進(jìn)行創(chuàng)建，而且有效的渲染效果會因此生成，這種方法常用在相對應(yīng)次要的物體中，如階梯、草地、道路等；而在標(biāo)志性建筑物及相對重要的建筑中常應(yīng)用貼圖的方法，這樣會產(chǎn)生更加貼近現(xiàn)實(shí)的模型。與基本材料相比貼圖更真實(shí)更精細(xì)，在模型的復(fù)雜程度不增加的前提下利用貼圖，對象的細(xì)節(jié)能夠突出表現(xiàn)出來，創(chuàng)建出更加貼近現(xiàn)實(shí)的三維場景。有多種形式的貼圖，Biotmap貼圖是其中最簡單的。三維地圖的制作過程中位圖被使用的最多。材料的同一層級在貼圖的時候可以被賦予多個貼圖，用貼圖混合材料也可以通過層級的方式來實(shí)現(xiàn)。位圖的獲取使用數(shù)碼相機(jī)對圖像進(jìn)行拍攝，這樣場景的制作在三維模型中吻合于現(xiàn)實(shí)中的實(shí)體，這個位圖被作為立體圖像的貼圖。角度適合的照片從拍攝的實(shí)地照片中進(jìn)行選取，所需貼圖單元可以用jpg格式進(jìn)行存儲并且在Photoshop中進(jìn)行處理。處理后的圖片貼圖從3DS MAX中調(diào)用出來，對貼圖的具體位置利用UVW貼圖坐標(biāo)進(jìn)行修改，從而得出接近實(shí)體的貼圖模型。

2.3.5 燈光設(shè)計(jì)

完成貼圖和材質(zhì)以后，在燈光沒有創(chuàng)建時，會有3個缺省光源在3DS MAX中產(chǎn)生，然而真實(shí)色彩在所貼的材質(zhì)中顯示出來，黯淡的色彩，為了增加效果很有必要為場景增加燈光照射。有三種燈光類型在3DS MAX中：泛光燈、有向光源燈和聚光燈。強(qiáng)度、位置、顏色、陰影、衰減等屬性都包括在所用模擬光源中。在不同的位置布置聚光燈，貼圖的色彩變得鮮亮，對聚光燈的陰影進(jìn)行控制從而顯示出具有真實(shí)感的立體模型。

3 城市三維立體地圖的演示

制作三維立體地圖演示的軟件是比較多的，我們以的Platypus A nimator為例來進(jìn)行介紹，連續(xù)三維動畫生成的操作流程如下：

單擊“文件”菜單下的“新建AVI方案”→單擊“文件”菜單下“第一步：導(dǎo)入圖像→按順序依次打開已經(jīng)攝錄好的圖像→設(shè)定“每秒”、“真彩色”、“增強(qiáng)色”和“256色”等參數(shù)→單擊“文件”菜單下的“第二部：附加聲音文件” →單節(jié)“創(chuàng)建AVI文件”→指定生成路徑→等待*.avi文件生成→雙擊*.avi文件圖標(biāo)→開始演示生成的三維立體圖。

4 結(jié)束語

綜上所述，三維立體地圖就目前而言適合應(yīng)用在表示空間現(xiàn)象的總體形態(tài)上，其中包括三維景觀地圖、虛擬仿真城市、三維地形圖等。而三維電子地圖具有的優(yōu)點(diǎn)有真實(shí)性、直觀性、方位性及立體性等。通過三維電子地圖，人們對整個城市的未來、現(xiàn)在及過去能夠更加動態(tài)、具體、直觀的了解到。

[1] 阮 晴,何宗宜. 基于3DS MAX的武漢大學(xué)校園立體圖的制作[J].測繪通報,2002，(12).

[2] 肖海威, 曹凱濱, 劉 洋. 城市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)規(guī)劃發(fā)展 地圖集設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測,2010，(1): 123-127.

[3] 王永梅,舒娛琴，胡偉平. 虛擬華師校園三維模型的構(gòu)建[J].華南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，（4）.