城市三維建模技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究

高 山，陳 思

（武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北武漢430014）

一、引 言

“十五”期間，國家開展了空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(spatial data infrastructure，SDI)建設(shè)。在一系列國家計(jì)劃項(xiàng)目、數(shù)字城市示范工程項(xiàng)目等的推動(dòng)下，一批大中城市率先完成了SDI建設(shè)，并通過數(shù)據(jù)庫建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)和地理信息應(yīng)用模式探索，為數(shù)字城市的進(jìn)一步發(fā)展積累了豐富的資源。在此基礎(chǔ)上，“十一五”期間的數(shù)字城市建設(shè)與應(yīng)用呈現(xiàn)出一片繁榮景象，歸納起來主要有以下幾個(gè)熱點(diǎn)方向:一是基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息服務(wù)，以國家測繪地理信息局開展的數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)為代表，其推動(dòng)了信息資源的共建共享與互聯(lián)互通;二是基于位置的地理信息服務(wù)，以導(dǎo)航系統(tǒng)為代表，目前已形成年產(chǎn)值幾百億的產(chǎn)業(yè);三是三維數(shù)字城市的大規(guī)模建設(shè)與應(yīng)用，其推動(dòng)著地理信息從二維向二三維一體化邁進(jìn)。

當(dāng)前，三維數(shù)字城市的研究與實(shí)踐已經(jīng)十分廣泛，北京、上海、天津、重慶、廣州、武漢、深圳等城市都基于自身應(yīng)用需求開展了城市級三維模型建設(shè)，并在相關(guān)領(lǐng)域開展了應(yīng)用，這些成果不同程度地促進(jìn)了城市規(guī)劃、建設(shè)和管理水平的提高，并推動(dòng)了國內(nèi)三維數(shù)字城市建設(shè)。然而，由于種種原因，三維數(shù)字城市的發(fā)展仍然存在一些問題，影響了城市三維模型數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的深層次應(yīng)用。其中，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，是目前亟須解決的關(guān)鍵問題。由于三維數(shù)字城市建設(shè)與應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷建設(shè)和發(fā)展中，因此各個(gè)城市和部門在三維GIS系統(tǒng)建設(shè)時(shí)主要根據(jù)各自的需求和標(biāo)準(zhǔn)來建立，導(dǎo)致系統(tǒng)之間通信困難，數(shù)據(jù)共享難以實(shí)現(xiàn)。

武漢市于2006年啟動(dòng)了三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)，該項(xiàng)目同時(shí)被住建部列入城市數(shù)字化工程示范項(xiàng)目。經(jīng)過4年的時(shí)間，項(xiàng)目建設(shè)已經(jīng)完成，并于2010年通過住建部驗(yàn)收。其中，城市三維模型建設(shè)被認(rèn)為是國內(nèi)首個(gè)建成并投入使用的特大城市級三維城市模型。在項(xiàng)目建設(shè)中，建模標(biāo)準(zhǔn)起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目建設(shè)，重點(diǎn)探討了建模的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

二、城市景觀的三維表達(dá)

由于技術(shù)的限制，一直以來，城市基礎(chǔ)地理信息主要以4D的方式表示，即數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字柵格圖(DRG)。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市空間不斷向高空和地下拓展，這就要求城市規(guī)劃不僅要對平面布局進(jìn)行規(guī)劃，而且要對空間布局進(jìn)行推敲。在這種情況下，傳統(tǒng)的二維表達(dá)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)實(shí)規(guī)劃工作的需要，因此城市景觀的三維表達(dá)提上了日程。

城市三維模型是城市地形地貌、地上地下人工建(構(gòu))筑物等的三維表達(dá)，反映對象的空間位置、幾何形態(tài)、紋理及屬性等信息［1］。它借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬顯示等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市景觀的三維表達(dá)。在對城市景觀進(jìn)行三維建模時(shí)，首先遇到的問題是表達(dá)什么對象、表達(dá)到何種程度及采用什么方式表達(dá)。

1.建模對象

由于城市對象紛繁蕪雜，不可能都進(jìn)行三維建模，因此首先要確定的是表達(dá)哪些對象。這里可以通過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來確定:一是對象的尺度，如果一個(gè)對象的長、寬、高中至少有兩個(gè)指標(biāo)大于某一閾值，表明其對城市空間有不可忽略的貢獻(xiàn)，應(yīng)予以表達(dá);二是對象的重要程度，這和應(yīng)用密切相關(guān)，如交管會關(guān)注交通信號燈、園林會關(guān)注重點(diǎn)樹木、市政會關(guān)注路燈、城管會關(guān)注廣告牌。因此，在開展工作前，需要明確建模對象，以免造成遺漏或過多的建模。

2.建模尺度

在對建模對象進(jìn)行取舍后，接下來就要明確建到什么程度，也就是尺度的問題。建模尺度類似地形圖中比例尺的概念，比例尺不同，對象表現(xiàn)的細(xì)節(jié)也不同。以建筑為例，要確定是否要表現(xiàn)飄窗的凸出、步入建筑的臺階、建筑標(biāo)牌等。但是三維建模不會像地形圖一樣對城市空間制作各種大、中比例尺數(shù)據(jù)，通常的做法是為某一區(qū)域指定一個(gè)尺度。因此，最終完成的城市三維模型是一個(gè)變比例尺的數(shù)據(jù)集，從這個(gè)角度看，類似現(xiàn)在通常所說的“一張圖”的概念。

3.建模手段

三維場景數(shù)據(jù)是典型的矢量、柵格的結(jié)合，其中，矢量表示框架，柵格表達(dá)細(xì)節(jié)。仍在研究中的LiDAR則是兩者的結(jié)合，它通過對現(xiàn)實(shí)世界的高密度采樣，以離散的點(diǎn)云(及其RGB值)表達(dá)連續(xù)的對象。但目前較為成熟且質(zhì)量可控的主流方式仍是基于CAD的建模，這種方式下，建模手段更多的是一個(gè)技術(shù)問題，即對于確定要建模的內(nèi)容采用何種方式表達(dá)，是采用幾何建模的方式，還是采用紋理貼圖的方式。通常來說，在X、Y、Z 3個(gè)維度中，如果某一維度相對于其他兩個(gè)維度可以忽略不計(jì)，則可以采取紋理貼圖的方式。

三、建模精度與標(biāo)準(zhǔn)

一般來說，三維模型數(shù)據(jù)包括3個(gè)方面的內(nèi)容:幾何、紋理和屬性。幾何部分主要表達(dá)對象的幾何外形，包括空間位置、形態(tài)、高度等;紋理部分主要表達(dá)對象的視覺外觀，也用于表達(dá)對象的細(xì)節(jié)，以彌補(bǔ)幾何表達(dá)的不足;屬性是GIS應(yīng)用與分析的基礎(chǔ)，不同的對象具有不同的屬性，不同的應(yīng)用關(guān)注不同的方面。與此相對應(yīng)，城市三維建模標(biāo)準(zhǔn)涉及3個(gè)方面:幾何精度、紋理精度和屬性精度。其中，幾何精度和紋理精度是當(dāng)前需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容，屬性精度則可依據(jù)GIS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范處理。

1.基本要求

基本要求是城市三維模型建設(shè)的基礎(chǔ)，也是三維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)。一般來說，城市三維模型應(yīng)遵循以下基本要求:

1)坐標(biāo)系:必須與城市基礎(chǔ)測繪所采用的坐標(biāo)系(包括平面坐標(biāo)系與高程基準(zhǔn))一致。

2)技術(shù)要求:以米為計(jì)量單位;模型的軸心點(diǎn)(Pivot)應(yīng)統(tǒng)一;建模對象與模型一一對應(yīng);模型屬性與模型一一對應(yīng);模型對象和紋理的命名應(yīng)全局唯一。

3)質(zhì)量要求:模型應(yīng)正確反映建模對象的基本特征;模型數(shù)據(jù)不得存在遺漏和冗余;模型精度應(yīng)符合相應(yīng)LOD的精度規(guī)定;屬性數(shù)據(jù)應(yīng)正確、完整。

2.幾何精度

一直以來，精度是測量和GIS領(lǐng)域最關(guān)注的基本問題之一，它代表著現(xiàn)實(shí)世界的抽象程度和對象表達(dá)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響著數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。三維模型也不例外，自三維GIS誕生以來，關(guān)于模型的精度就一直備受關(guān)注，空間對象的表示方法、三維模型的建模精度、三維建模方法等則是其中的關(guān)鍵問題。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬仿真中，每個(gè)三維場景都是相對獨(dú)立的，關(guān)注的重點(diǎn)是視覺效果，而作為GIS應(yīng)用，首要問題則是精度。

從地圖學(xué)的角度來看，城市三維模型屬于大比例尺范疇。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)高度高于3 000 m時(shí)，除大型基礎(chǔ)設(shè)施(如大型橋梁、火車站、機(jī)場等)外，其他城市要素完全可以通過航空影像來表現(xiàn)。因此，城市三維模型的問題主要是微觀層面，相關(guān)問題的研究可以參照國家大比例尺地形圖的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來進(jìn)行。

關(guān)于對象的三維表達(dá)，三維GIS中的通常做法是建立LOD，以解決系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)傳輸和繪制效率的瓶頸，但劃分的級別數(shù)不盡相同。CityGML中將模型劃分為5個(gè)級別，見表1［2］。

表1 CityGM L細(xì)節(jié)層次說明及精度

可以看出，CityGML對LOD的劃分是對所有對象而言的，不同級別的差別主要表現(xiàn)在點(diǎn)位精度上，這種方式對建構(gòu)筑物是合適的，但對城市其他對象則需要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際的建筑建模中，筆者采用的劃分方式見表2。

表2 建筑模型LOD及說明

從表2中可以看出，這里對LOD的劃分基本與CityGML一致。不同的是，表中沒有列出平面精度，認(rèn)為平面精度應(yīng)與 1∶2000、1∶1000、1∶500 地形圖保持一致［3］。植被模型的LOD則采用了另外的方式，見表3。

表3 植被模型LOD及說明

3.紋理精度

相對于幾何精度，對紋理精度的規(guī)定仍然采用較為模糊的詞語(如清晰可辨、較高分辨率等)，較少使用量化規(guī)定，給模型質(zhì)量的評定帶來困難。應(yīng)該說，用戶對三維場景的認(rèn)知主要來自兩個(gè)方面:一是在中觀尺度上對城市空間形態(tài)的感受;二是在微觀尺度上通過模擬現(xiàn)實(shí)視角的方式對城市景觀、建筑立面的認(rèn)知。前者更多地來源于幾何表現(xiàn);后者則更多地通過紋理來展現(xiàn)。因此，在三維模型的應(yīng)用中，尤其是微觀層面的應(yīng)用，紋理起著舉足輕重的作用［4］。

紋理使用的基本原則是使各級LOD的紋理精度與幾何精度相匹配，幾何精度越高，則紋理分辨率越高。目前，關(guān)于紋理分辨率的具體數(shù)值還沒有相關(guān)規(guī)定，大多由建模人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。眾所周知，紋理數(shù)據(jù)量占據(jù)80%以上三維模型數(shù)據(jù)量，紋理精度的不確定性給數(shù)據(jù)總量的控制帶來困難，進(jìn)而影響到三維GIS的數(shù)據(jù)調(diào)度策略和調(diào)度效率。因此，有必要對紋理精度進(jìn)行量化規(guī)定，以進(jìn)一步規(guī)范當(dāng)前的三維建模工作。

借鑒攝影測量與地圖制圖中由0.2 m分辨率航片更新1∶2000地形圖的做法，可知根據(jù)1∶500地形圖建模的地物(LOD3)需要的紋理分辨率為0.05 m，依此類推，紋理分辨率與LOD的對應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 紋理分辨率與LOD的對應(yīng)關(guān)系

需要指出的是，精細(xì)模型由于其表現(xiàn)的粒度很小，對象的細(xì)節(jié)往往通過幾何建模(而不是紋理貼圖)來表現(xiàn)。因此，相對于其他級別的LOD，對紋理的使用反而會降低，但是只要使用了貼圖，就應(yīng)該用高分辨率的紋理。

4.屬性精度

如果說幾何和紋理是模型的外在，屬性則是對象的內(nèi)涵，是GIS查詢、統(tǒng)計(jì)、分析的依據(jù)。因此，屬性信息是否完整，決定了應(yīng)用系統(tǒng)的領(lǐng)域。

屬性可分為基本屬性和專題屬性?；緦傩苑从硨ο蟮幕拘畔ⅲ缃ㄖ叨?、用途、建筑結(jié)構(gòu)等;專題屬性根據(jù)應(yīng)用需要擴(kuò)充，如在規(guī)劃領(lǐng)域還需要建筑面積、停車面積等。

三維模型的屬性可參照GIS標(biāo)準(zhǔn)里的相關(guān)規(guī)定，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的唯一性，可直接從二維GIS數(shù)據(jù)庫中獲取。

四、結(jié)束語

城市三維模型建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，其耗費(fèi)大、耗時(shí)長。因此，必須在項(xiàng)目啟動(dòng)之初進(jìn)行通盤考慮，包括建模的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)方法、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)及后期更新維護(hù)等。三維建模也不應(yīng)一味追求精細(xì)，應(yīng)以應(yīng)用為基本出發(fā)點(diǎn)，留有擴(kuò)充的余地。本文結(jié)合實(shí)際工作對建模技術(shù)和精度進(jìn)行了研究，以期通過提高數(shù)據(jù)的規(guī)范性降低系統(tǒng)建設(shè)的難度。

［1］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ/T 157—2010城市三維建模技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］ OpenGIS City Geography Markup Language(CityGML)Encoding Standard［EB/OL］.2008-08-15.http:∥www.opengeospatial.org.Open Geospatial Consortimn Inc.OGC 08-007rl.VerSion:1.0.0.

［3］ 趙中元，高山.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.

［4］ 楊必勝，李清泉，史文中.三維GIS中多分辨率紋理模型的研究［J］.中國圖象圖形學(xué)報(bào):A輯，2003，8(3):328-333.

［5］ 崔新友，王海花.基于CityGML的數(shù)字城市快速建模研究［J］. 軟件導(dǎo)刊，2009，8(6):17-19.