不同平臺(tái)下三維場(chǎng)景的創(chuàng)建與分析

葉燕萍，葉　駿

（1.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江省隧道工程公司，浙江杭州，310013）

不同平臺(tái)下三維場(chǎng)景的創(chuàng)建與分析

葉燕萍1，葉駿2

（1.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江省隧道工程公司，浙江杭州，310013）

三維場(chǎng)景較逼真地反映真實(shí)的地理環(huán)境，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。結(jié)合公司的生產(chǎn)業(yè)務(wù)及軟件平臺(tái)，介紹了三維場(chǎng)景的制作流程，對(duì)Skyline及Bentley系列軟件平臺(tái)創(chuàng)建三維場(chǎng)景技術(shù)進(jìn)行了比較，分析了雙方的優(yōu)點(diǎn)與不足。

三維場(chǎng)景；Skyline；Bentley

0　引言

隨著信息化、數(shù)字化的不斷發(fā)展，二維的地圖表達(dá)已經(jīng)越來越難以滿足大眾的需求，具有高度真實(shí)感的三維場(chǎng)景已經(jīng)越來越多地進(jìn)入到人類的生產(chǎn)生活中。三維場(chǎng)景以DEM的高程信息來精確描述區(qū)域的地形起伏，以DOM的影像紋理來描述區(qū)域地表真實(shí)狀況，所建立的場(chǎng)景具有照片實(shí)景效果，便于用戶從空中、地面等多角度了解區(qū)域地理環(huán)境[1]。

目前支持三維場(chǎng)景的軟件眾多，國(guó)外主要有ArcGIS、Skyline、Bentley等，國(guó)內(nèi)主要有SuperMap、EV-Globe、GeoGlobe等。Skyline是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺(tái)軟件，其三維數(shù)字化顯示技術(shù)在國(guó)際上具有領(lǐng)先的地位，它可以利用海量的DEM、DOM及其他二三維數(shù)據(jù)搭建一個(gè)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行模擬的三維場(chǎng)景。Bentley系列軟件以Microstation為統(tǒng)一的工程內(nèi)容創(chuàng)建平臺(tái)，此平臺(tái)上具有完備的各專業(yè)應(yīng)用軟件，Geopak模塊的DTM工具可建立數(shù)字地面模型，Descartes軟件能夠快速處理STM，并使用正射影像對(duì)其進(jìn)行紋理映射，添加二維和三維動(dòng)態(tài)或靜態(tài)物體∕對(duì)象來生成逼真的三維場(chǎng)景。目前，公司創(chuàng)建三維場(chǎng)景多采用Skyline及Bentley系列軟件來實(shí)現(xiàn)。文章對(duì)三維場(chǎng)景創(chuàng)建流程進(jìn)行了介紹，并對(duì)兩個(gè)軟件平臺(tái)創(chuàng)建三維場(chǎng)景技術(shù)進(jìn)行了分析。

1　三維場(chǎng)景創(chuàng)建流程

三維場(chǎng)景需要DEM、影像及其他數(shù)據(jù)支持，其作業(yè)內(nèi)容一般包括五個(gè)方面：數(shù)據(jù)檢查及處理、DEM制作、影像數(shù)據(jù)處理、地形建模、添加物體或?qū)ο?，具體流程如圖1所示。

圖1　三維場(chǎng)景創(chuàng)建流程圖Fig.1 Production process of the 3D scene

1.1數(shù)據(jù)檢查及處理

用來創(chuàng)建TIN的數(shù)據(jù)在建模前需要進(jìn)行檢查及處理操作，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)檢查：主要檢查數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系及其屬性信息，包括等高線相交、等高線自相交、等高線重合、點(diǎn)線矛盾、等高線高程值是否正確、高程點(diǎn)高程值是否正確等。

（2）等高線處理：等高線需要首尾相連、等高線遇到河流及道路時(shí)應(yīng)橫向垂直穿過。

（3）特征點(diǎn)、特征線采集：山頂、洼地、鞍部、等高線彎曲度較大的地方添加相應(yīng)的特征點(diǎn)或特征線。

（4）三維路、三維河的采集：選擇重要的道路、河流、湖泊等要素進(jìn)行三維多段線的繪制。

1.2DEM制作

表示數(shù)字高程模型的主要數(shù)據(jù)模型有：等高線模型、規(guī)則格網(wǎng)（Grid）模型和不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型[2]。以TIN為例，制作流程主要包括TIN的創(chuàng)建、TIN的編輯和TIN的導(dǎo)出。

1.2.1TIN的創(chuàng)建

利用等高線、高程點(diǎn)、特征點(diǎn)、特征線、三維路、三維河、邊界等要素信息，通過平臺(tái)軟件來創(chuàng)建TIN。

1.2.2TIN的編輯

通過平臺(tái)軟件創(chuàng)建的TIN，不可避免地存在平三角形情況，導(dǎo)致地形模型失真，需要對(duì)其進(jìn)行處理，改變局部區(qū)域的構(gòu)網(wǎng)，主要通過平三角區(qū)域特征點(diǎn)、特征線的增加及三角邊的換向來實(shí)現(xiàn)。圖幅邊緣處由于缺少構(gòu)網(wǎng)的基本條件，容易導(dǎo)致邊界區(qū)域的模型失真，需要對(duì)TIN進(jìn)行裁切處理。參與構(gòu)網(wǎng)數(shù)據(jù)量很大時(shí)，通過分塊構(gòu)建的TIN數(shù)據(jù)需要進(jìn)行接邊和融合處理。

1.2.3TIN導(dǎo)出

根據(jù)創(chuàng)建三維場(chǎng)景的軟件平臺(tái)要求，需要將TIN轉(zhuǎn)換成符合要求的格式。

1.3影像數(shù)據(jù)處理

影像主要用于提高三維場(chǎng)景的逼真度。影像數(shù)據(jù)經(jīng)過糾正和投影變換，再采用Photoshop軟件調(diào)色，使其符合自然且美觀。

1.4地形建模

將影像數(shù)據(jù)映射到坐標(biāo)統(tǒng)一的地形DEM中，生成能反映地形起伏、表達(dá)真實(shí)地面紋理的地形數(shù)據(jù)集。

1.5添加物體或?qū)ο?/p>

在生成的三維地形場(chǎng)景中，添加二維和三維動(dòng)態(tài)或靜態(tài)物體∕對(duì)象來創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)場(chǎng)景，使整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)容更加豐富，如圖2所示。

圖2　三維場(chǎng)景圖Fig.2 The 3D scene

2　不同軟件平臺(tái)技術(shù)分析

實(shí)時(shí)顯示逼真的三維場(chǎng)景是軟件平臺(tái)追求的目標(biāo)，Skyline軟件和Bentley系列軟件在創(chuàng)建三維地形場(chǎng)景時(shí)，由于其軟件平臺(tái)的特性，各自存在優(yōu)缺點(diǎn)，主要從數(shù)據(jù)檢查及處理、DEM的生成、地形建模、場(chǎng)景瀏覽、場(chǎng)景的發(fā)布幾方面進(jìn)行分析。

2.1數(shù)據(jù)檢查及處理

Skyline軟件并未提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢查及處理的工具，需要借助其他平臺(tái)軟件。Bentley系列軟件中的Bentley Map可實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)錂z查及屬性檢查，Microstation基礎(chǔ)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的編輯處理操作，Bentley Descartes軟件可實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的糾正及投影變換操作。因此，在數(shù)據(jù)檢查及處理方面，Bentley系列軟件無需借助其他平臺(tái)軟件，相比Skyline軟件具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2DEM的生成

Skyline軟件并未提供DEM生成工具，需要借助其他平臺(tái)軟件。Bentley系列Geopak軟件的DTM工具可實(shí)現(xiàn)TIN的創(chuàng)建、TIN的編輯、DEM其他數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出等功能，但是在等高線稀疏的地方會(huì)形成狹長(zhǎng)三角形，視覺效果欠佳，在平三角形處理方面也沒有很好的解決方案。因此，在數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的情況下，Bentley系列軟件完全可以采用自己的工具生成DEM，相比Skyline軟件具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.3地形建模

Skyline支持將其他平臺(tái)創(chuàng)建好的DEM、影像、矢量范圍等數(shù)據(jù)導(dǎo)入TerraBuilder軟件，通過疊加上述數(shù)據(jù)，迅速方便地創(chuàng)建海量三維地形場(chǎng)景，以MPT文件格式存在。Bentley系列Descartes軟件的可擴(kuò)展地形模型（STM）可高效地顯示海量數(shù)字地形模型，并且支持高分辨率影像的疊加，支持多種數(shù)據(jù)源，將DTM工具生成的DEM及影像數(shù)據(jù)添加到STM模塊，軟件根據(jù)數(shù)據(jù)范圍自動(dòng)生成STM。在場(chǎng)景的生成流程上，Skyline軟件跟Bentley系列軟件不相上下，但Skyline對(duì)數(shù)據(jù)的范圍要求比較嚴(yán)格，DEM數(shù)據(jù)的范圍必須大于或等于影像數(shù)據(jù)范圍，而Bentley Descartes軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)最小范圍進(jìn)行場(chǎng)景生成。

2.4場(chǎng)景瀏覽

Skyline的Terra Explorer Pro軟件可導(dǎo)入MPT數(shù)據(jù)，并添加二維和三維動(dòng)態(tài)或靜態(tài)物體∕對(duì)象，最終保存成工程索引FLY的格式，用戶可直接打開FLY文件進(jìn)行場(chǎng)景的瀏覽。Bentley Descartes軟件生成的STM可直接在Descartes軟件瀏覽，并添加二維和三維動(dòng)態(tài)或靜態(tài)物體∕對(duì)象，但是將場(chǎng)景數(shù)據(jù)放置到別的電腦上時(shí)，紋理數(shù)據(jù)所在的路徑要跟制作場(chǎng)景的電腦路徑一致。大數(shù)據(jù)量的場(chǎng)景，Skyline軟件的實(shí)時(shí)瀏覽比Bentley系列軟件的用戶體驗(yàn)相對(duì)較好。

2.5場(chǎng)景發(fā)布

Skyline的TerraGate軟件可將場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布。Bentley系列軟件場(chǎng)景數(shù)據(jù)暫時(shí)不支持紋理發(fā)布。

3　結(jié)語

對(duì)Skyline和Bentley系列軟件場(chǎng)景創(chuàng)建技術(shù)問題進(jìn)行分析與研究，總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）Bentley系列軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)檢查及處理、DEM的生成、地形建模、物體或?qū)ο蟮奶砑拥纫幌盗辛鞒?，但Skyline軟件僅支持采用其他平臺(tái)處理好的DEM、影像等數(shù)據(jù)來創(chuàng)建地形場(chǎng)景，并沒有數(shù)據(jù)處理及DEM制作這塊的功能，后續(xù)可以完善場(chǎng)景數(shù)據(jù)前期準(zhǔn)備這塊的功能。

（2）Skyline三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)用戶體驗(yàn)比Bentley系列軟件相對(duì)要好。Bentley系列軟件可在場(chǎng)景瀏覽速度及發(fā)布方面再進(jìn)行后續(xù)完善工作。

總之，Skyline跟Bentley系列軟件在三維場(chǎng)景領(lǐng)域各有所長(zhǎng)，可以在作業(yè)中綜合使用兩大軟件平臺(tái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

表1　Skyline與Bentley系列軟件場(chǎng)景創(chuàng)建功能對(duì)比Table 1 Comparison of 3D scene production functions of Skyline and Bentley

[1]宇思時(shí)代.國(guó)土資源三維應(yīng)用解決方案[EB∕OL].http:∕∕www.soft78.com∕article∕2012-10∕13ff8080813aab2e97013a b12141le90508.html.

[2]宮曉峰.基于OpenGL的三維GIS地形可視化技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2009.

作者郵箱：420870981@qq.com

Title:Analysis on three dimensional scene on different platforms

by YE Yan-ping and YE Jun∕Zheji?ang Huadong Surveying,Mapping and Geoinfomation Co.,Ltd.

Widely used three dimensional scene is more realistic to reflect the real geographical environ?ment.The paper,combined with company business and software platform,introduces the production pro?cess of 3D scene.Then comparison between the 3D scene creation technology on Skyline and Bentley se?ries software platform is made.Finally,their advantages and disadvantages are analyzed.

three dimensional scene;Skyline;Bentley

TP391

B

1671-1092（2016）04-0013-03

2016-07-04

葉燕萍（1985-），女，浙江東陽人，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)方面的工作。