城市三維建模數(shù)據(jù)獲取及方式研究

曾秀芬++賈振濤++張睿

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，城市的信息化成為了必然的趨勢，數(shù)字城市的不斷完善已經(jīng)成為城市壯大的新的契機(jī)，成為城市信息化建設(shè)的目標(biāo)。數(shù)字三維城市已成為城市規(guī)劃和管理中重要的手段。本文基于筆者多年從事數(shù)字城市的相關(guān)工作經(jīng)驗，以三維數(shù)字城市為研究對象。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，并以實例的方式實現(xiàn)了三維建筑物建模，結(jié)果表明該思路能滿足實際應(yīng)用。全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市 三維建模 信息化

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0041-02

“數(shù)字城市”的概念來源于“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“數(shù)字城市”內(nèi)涵作確切的定義。但隨著對“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，人們對它的認(rèn)識將會逐漸趨向統(tǒng)一，并形成對它的標(biāo)準(zhǔn)定義。

三維模型能夠真實、生動地表達(dá)三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點。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。

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、分析、打印輸出等功能，將更好地為“數(shù)字國土”服務(wù)。三維模型的快速建立與更新，對維護(hù)三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、直觀性、更好地為國土資源利用提供更好的決策，具有十分重要的作用和意義。

1 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影測量及其相關(guān)學(xué)科的研究熱點之一。盡管3DCM的研究歷史非常短暫，但人們針對不同的應(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。

1.1 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，無法對地表實體對象進(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。

1.2 基于2DIGS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：

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構(gòu)建建筑物對象。這種方法的缺點在于模型真實感差，對城市景觀信息的表達(dá)少，另外沒有考慮DEM。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構(gòu)建建筑物對象，比上一種方式更具真實感。部分2DGIS系統(tǒng)（Arc/Info）發(fā)展了構(gòu)建3DCM的功能模塊，具有初步的量測功能，但缺乏對建筑物紋理的提取與處理，景觀表達(dá)的真實感程度不夠。

1.3 純?nèi)S的構(gòu)建方式

針對數(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：

利用地面攝影影像與地面激光掃描儀來構(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；利用衛(wèi)星影像與機(jī)載激光掃描儀來構(gòu)建，該方法采集數(shù)據(jù)快，但獲取的DEM精度不高；利用航空立體像對的方法，利用目標(biāo)提取技術(shù)，實現(xiàn)航空影像房屋三維數(shù)據(jù)的半自動量測，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，實現(xiàn)建筑物可見表面紋理恢復(fù)，重建城市三維景觀。

2 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標(biāo)識，增強(qiáng)對建筑物本身及其相互之間空間關(guān)系的感知和識別?？梢暬夹g(shù)的運用，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)實技術(shù)的結(jié)合，使得用戶沉浸于三維的場景中與模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行交互操作。

2.1 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數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)源包括：（1）規(guī)劃建筑物的設(shè)計圖紙及文檔資料。（2）城市數(shù)字地圖（地形圖、地籍圖等）和2DGIS數(shù)據(jù)庫。（3）攝影測量數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z影測量不僅可以提供豐富的幾何和紋理數(shù)據(jù)，而且還可以提供豐富的拓?fù)浜驼Z義信息。（4）遙感數(shù)據(jù)。高分辨率遙感影像可以為城市3D城市模型的建立提供詳細(xì)、豐富的幾何和語義信息數(shù)據(jù)，是生成正射影像數(shù)據(jù)和DTM的重要數(shù)據(jù)源。合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種全天時、全天候的微波成像雷達(dá)，不僅可以詳細(xì)準(zhǔn)確地觀測地形地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過地表收集地表下面的信息。（5）混合測量系統(tǒng)?；旌蠝y量系統(tǒng)中一個典型就是CCD相機(jī)和全站儀組合系統(tǒng)。此系統(tǒng)可用于建筑物立面的掃描及建筑場地的地形表示。此系統(tǒng)適合于建筑物外部和內(nèi)部數(shù)據(jù)的幾何和紋理數(shù)據(jù)的獲取，解決了3D城市模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)獲取困難的問題。

就當(dāng)前的應(yīng)用需求來說，場景三維建模需要的數(shù)據(jù)主要有：二維圖形、地形數(shù)據(jù)、地表圖像、三維觀測數(shù)據(jù)和模型表面紋理等。

2.2 建模方式

目前在數(shù)字城市的三維建模中有很多種建立模型的方式?，F(xiàn)介紹如下：

（1）使用CAD軟件建模。AutoCAD軟件具有強(qiáng)大的二維圖形繪制功能及編輯功能，是當(dāng)今二維圖形繪制軟件的主流工具，這是它的優(yōu)點。但是它在三維圖形建模、渲染處理及動畫制作方面功能較弱，不適合于復(fù)雜三維模型的建造和動畫的制作。AutoCAD模型表達(dá)精細(xì)、精確，有精確尺寸定義，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，不支持與地形的疊加，不支持屬性定義，主要用于工業(yè)零部件建模和單獨的橋梁等建筑物建模。（2）常用動畫軟件建模。如3D MAX等，模型表達(dá)精細(xì)，建模工具豐富，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，不支持與地形疊加，且不能交互編輯查詢，僅限于動畫瀏覽。（3）專業(yè)軟件建模。如MutiGen Creator軟件功能強(qiáng)大，支持大面積地形建模，支持建筑物建模。模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡潔，可以在運行過程中進(jìn)行交互操作，實時計算動畫場景，通過開發(fā)，可以與影像、矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等疊加。但表達(dá)不精細(xì)，數(shù)據(jù)交互編輯、查詢能力較弱。（4）OpenGL開發(fā)。使用OpenGL+VC模式，通過編程的方式建立模型。此方式能大量使用數(shù)學(xué)曲線、曲面表達(dá)三維模型、自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)顯示算法等。一般用于開發(fā)三維基礎(chǔ)軟件。

目前，在實際應(yīng)用技術(shù)中，較為普遍和實際的模型制作是利用3D MAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的發(fā)布與應(yīng)用

采用提供了二次開發(fā)功能的數(shù)字城市開發(fā)平臺，使用asp.net技術(shù)，開發(fā)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)對矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM、三維模型等多源數(shù)據(jù)集中管理的三維地理信息發(fā)布系統(tǒng)，從而實現(xiàn)三維場景的顯示、漫游、定位、查詢等功能，為決策部門提供輔助決策。

3 應(yīng)用

本次實驗以“SuperMap”中的三維建模為例。采用3D MAX軟件對建筑物進(jìn)行三維建模，以及能夠訪問海量數(shù)據(jù)、具有強(qiáng)大二次開發(fā)功能的三維地理信息軟件SuperMap Service GIS作為開發(fā)平臺開發(fā)演示系統(tǒng)。（如圖2所示）“SuperMap”構(gòu)建三維數(shù)字城市的方案如下：（1）采用正射航空或衛(wèi)星影像和地表高程數(shù)據(jù)并利用1∶500地形圖在3D MAX中建立數(shù)據(jù)集。（2）將數(shù)據(jù)集文件加載到3d MAX中，并用編輯工具利用數(shù)據(jù)集中各項數(shù)據(jù)建立三維建筑物模型及利用本地數(shù)據(jù)庫中及網(wǎng)絡(luò)中加載各類2D信息（如花草，樹木，人物等）。（3）保存工程文件或者打包輸出（KML格式），使它能夠被分配到CD/DVD ROM或發(fā)布到網(wǎng)頁上。KML中包含工程中用到的所有的資源，因此，它相對于源文件是獨立的。

4 結(jié)論

文章對數(shù)字城市中的三維建模關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，總結(jié)了當(dāng)前三維建模過程中的主要技術(shù)和方法，并以實例的方式實現(xiàn)了三維建筑物建模和發(fā)布，結(jié)果表明在數(shù)字城市建設(shè)中，主要把握數(shù)據(jù)獲取、三維建模和模型的發(fā)布與應(yīng)用三個環(huán)節(jié)，即能較好完成數(shù)字城市工作，使其滿足實際應(yīng)用。

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