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    淺談數(shù)字城市中三維建模方法及其應用發(fā)展

    2015-10-21 19:38方超
    房地產(chǎn)導刊 2015年4期
    關鍵詞:數(shù)字城市應用發(fā)展模型

    方超

    【摘要】三維城市模型包含了建筑物三維結構模型、建筑物紋理貼圖、數(shù)字高程模型、地面紋理影像等多種數(shù)據(jù),首先對城市的地形地物進行測量,獲取建筑物和地面的結構信息,高度信息和紋理信息,再通過三維可視化軟件制作成三維仿真景觀模型。本文闡述了數(shù)字城市建設的現(xiàn)狀及其內(nèi)容與技術、三維數(shù)字城市模型的構成及分類,對三維數(shù)字城市模型的建模方法及其應用發(fā)展進行了論述分析。

    【關鍵詞】數(shù)字城市;三維數(shù)字;模型;構成分類;建模方法;應用發(fā)展

    三維城市模型是以三維數(shù)字技術為基礎,給城市建設帶來了數(shù)字化的思維及設計方式,更為城市的規(guī)劃和管理提供方便、直觀、可行的平臺。隨著科技的發(fā)展,三維數(shù)字技術發(fā)展會越來越快,其作用也將越來越大,有著良好的發(fā)展前景。

    一、 數(shù)字城市建設的現(xiàn)狀及其內(nèi)容與技術

    1、數(shù)字城市建設的現(xiàn)狀。據(jù)統(tǒng)計,全國有將近700個大、中城市,約有30000個小城鎮(zhèn)已經(jīng)開展了"數(shù)字城市"建設工程。"數(shù)字城市"作為城市信息化建設的關鍵環(huán)節(jié),涉及到城市規(guī)劃、管理、文化、經(jīng)濟等社會生活各領域。

    2、數(shù)字城市建設的內(nèi)容及技術。(1)數(shù)字城市建設主要包括:建立由城市空間基礎信息平臺、城市綜合信息平臺和城市電信基礎平臺組成的核心系統(tǒng),通過該系統(tǒng)的正常運轉實現(xiàn)信息的共享;建立應用系統(tǒng);建立網(wǎng)絡與信息接入設備,通過這些設備可以直接面向終端用戶服務;建立政策法規(guī)與保障體系,該體系能夠為數(shù)字城市的建設及運行提供法律、經(jīng)濟、標準、組織和管理等方面的保障;(2)數(shù)字城市建設的信息支撐技術主要包括遙感技術、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術、地理信息系統(tǒng)技術、城市綜合功能GIS技術、數(shù)字城市的管理信息技術、虛擬技術、數(shù)據(jù)庫建設技術、元數(shù)據(jù)和寬帶網(wǎng)絡等,可以將這些技術進行組合應用,最終達到城市空間數(shù)據(jù)的獲取、分析、歸納及整合;(3)數(shù)字城市的服務對象主要包括政府,企業(yè),社會以及公眾四方面。

    二、 三維數(shù)字城市模型的構成及分類

    三維數(shù)字城市模型主要由基礎數(shù)據(jù),三維模型,運行環(huán)境(包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境)及三維投影設備組成。

    1、模型的總體構成。城市三維地理信息服務系統(tǒng)通常使用B/S模式,Web服務器可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)布服務器與使用終端的無縫鏈接,并在瀏覽器環(huán)境下為用戶提供正常的數(shù)據(jù)瀏覽以及查詢服務。城市三維地理信息服務系統(tǒng)的應用體系一般由數(shù)據(jù)層,功能展示層,應用服務層構成。(1)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層一般是利用地形數(shù)據(jù)融合軟件,將遙感影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)融合成三維場景,再經(jīng)過壓縮處理后形成地形文件(MPT),再以數(shù)據(jù)流的方式被讀取出來。WFS(WebFeatureService)和WMS(WebMapService)會被進行規(guī)范化處理,通常以OpenGIS數(shù)據(jù)服務接口進行規(guī)范,并提供二維數(shù)據(jù)服務。(2)功能展示層。功能展示層可以提供完整的用戶界面,支持系統(tǒng)完成三維地理信息的瀏覽、查詢、分析以及展示等功能。同時,還可為其他增值業(yè)務提供一些擴展接口,滿足未來的業(yè)務擴展需要。(3)應用服務層。應用服務層是通過空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡提供三維數(shù)據(jù)的服務接口,提供各種行業(yè)的使用服務。例如公共安全,交通國土資源,水利,虛擬旅游以及電力能源等領域。

    2、模型分類。(1)地形地貌三維模型。為了將地形的高低起伏狀態(tài)真實地模擬出來,通常是利用基礎測繪數(shù)據(jù),如帶有高程值的數(shù)字線劃圖,建立地面高程模型(DEM),再根據(jù)具體的制作要求作成不同的高程模型。一般情況下,正射影像(DOM)的數(shù)據(jù)可通過一些影像的數(shù)據(jù)分析得到,這些影像具有不同的分辨率,主要影像有遙感影像、高分辨率的航空影像、低空攝影及近景攝影等??梢愿鶕?jù)要求選擇不同的影像數(shù)據(jù),再根據(jù)統(tǒng)一的空間參考系,將正射影像疊加到地面高程模型上,這樣就得到了一個真實反映地形地貌的三維模型。

    (2)現(xiàn)狀建構筑物三維模型。作為三維模型中的重要組成部分,現(xiàn)狀建構筑物主要由兩部分構成:一類是房屋,道路,人行天橋,橋梁,隧道,堤壩,公園,綠地,樹木等地物要素;另一類是路燈,消防栓,井蓋,公交車站等城市附屬設施?,F(xiàn)狀建構筑物模型制作時耗費的工作量大、周期長,因此,在制作模型前應先根據(jù)精度要求進行選擇,制作出不同的模型。而對于一些對精度要求標準較低的規(guī)則形狀建構筑物,可采用大批量機器建模生產(chǎn)的方法,如果建構筑物頂端紋理較為復雜,可以使用高分辨的影像,進行貼圖處理。

    3、規(guī)劃設計三維模型。三維模型的規(guī)劃設計主要是用來滿足城鄉(xiāng)規(guī)劃管理的需要,規(guī)劃設計師在三維軟件中進行設計必須與現(xiàn)狀三維模型融為一體,并根據(jù)現(xiàn)狀三維模型的真實環(huán)境對具體模型進行修改、調整、替換,或在三維仿真系統(tǒng)上重新生成新模型,包括設計和定義位置、朝向、形狀、高度、外部色調和紋理等,這些修改調整都需要在統(tǒng)一的空間參考系中按照比例進行。

    三、 三維數(shù)字城市模型的建模方法

    三維城市模型的主要任務是先對城市的三維環(huán)境進行數(shù)字化表達,然后進行可視化處理,同時,能夠提供相應的操作與分析功能。目前,城市三維景觀的構建有許多方法,具有代表性以及比較常用的有以下一些類型:

    1、基于單純形的3DGIS數(shù)據(jù)模型物和虛擬城市景觀模型重建法??梢詫⒊鞘械膶嶓w模型按照維數(shù)劃分為0維、1維、2維、3維四類,相應地用0、1、2、3的單純形來對應表示構建。同時,將地形作為城市各種建筑物的承載體,用TIN來表示,稱作2.5維,用2DGIS矢量線劃數(shù)據(jù)來確定建筑物的平面位置,屬性高度、建筑物的側面紋理由數(shù)字相機獲取,頂部紋理由航空遙感數(shù)據(jù)獲得,生成景觀模型;

    2、基于航空影像生成城市三維城市景觀。將建筑物按照外形特征分成平屋頂房屋、"人"字型屋頂房屋和復雜房屋,并分別采用不同幾何數(shù)據(jù)模型進行構建;

    3、TIN表達地形法,是用BP、CSG表達以點、線、面、體形式存在的空間實體城市三維GIS數(shù)據(jù)模型,并在立體空間中逐層引入空間信息,同時,為每個對象建立屬性特征和空間關系;

    四、 三維建模技術應用及未來發(fā)展

    1、三維建模技術應用。(1)用于城市規(guī)劃。對城市的未來形態(tài)進行預演,消失的城市形態(tài)也可以重新模擬出來,并根據(jù)規(guī)劃成果隨時進行修改,從而獲得城市規(guī)劃方案調整的科學依據(jù),使城市規(guī)劃更具前瞻性。(2)用于城市管理。三維建模技術可以完成城市災害事件和突發(fā)事件的動態(tài)模擬,實現(xiàn)城市各類信息的可視化查詢,為政府對城市的管理和服務提供決策。

    2、三維建模技術的未來發(fā)展方向。由于城市三維景觀主要是人工建筑物,因此,三維建筑物信息的獲取與建模一直是城市建模的主要內(nèi)容。近年來,一些新的建筑物三維重建方法陸續(xù)被提出來,其主要發(fā)展方向有以下三個方面:(1)數(shù)據(jù)的多元化、多線索和多信息的引入及融合;(2)提取過程中知識的運用滲透到從低級到高級處理的各個層次,在識別匹配推理過程中引入較多的人工智能理論與方法;(3)建筑物模型的多樣化,如參數(shù)模型、棱柱模型、多面體模型以及構造實體幾何模型(CSG)等,提取策略逐漸由單純的模型驅動或數(shù)據(jù)驅動轉向二者混合運用。

    結束語

    三維數(shù)字技術是在二維地理信息基礎上制作出的一種三維模型,經(jīng)過程序開發(fā),已發(fā)展成為三維地理信息系統(tǒng),由于它可以使城市管理者制定更加科學、人文、生態(tài)的城市規(guī)劃,因此,可被廣泛地應用于國土資源管理、城市規(guī)劃、電力、電信、公安、供排水、旅游等領域。

    參考文獻:

    [1]陳良超,向澤君,謝征海.三維模型數(shù)據(jù)標準技術研究與應用[J].測繪科學,2009

    [2]肖楠 三維數(shù)字景觀建模在城市規(guī)劃中的主要方法分析[J] 科技致富向導 2014年20期

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