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    岷江沿岸城鎮(zhèn)三維地理環(huán)境重建

    2016-12-28 02:25:43王海軍戴聲佩黃孝斌
    地理空間信息 2016年9期
    關(guān)鍵詞:重構(gòu)實(shí)體建模

    王海軍,戴聲佩,黃孝斌

    (1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂(lè)山 614007;2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210023)

    岷江沿岸城鎮(zhèn)三維地理環(huán)境重建

    王海軍1,戴聲佩2,黃孝斌1

    (1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂(lè)山 614007;2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210023)

    虛擬地理環(huán)境(VGE)的概念、結(jié)構(gòu)、框架經(jīng)過(guò)發(fā)展逐漸走向成熟,而在實(shí)踐層面缺乏成熟的技術(shù)方案和規(guī)模性應(yīng)用。從城市地理學(xué)的視角,將VGE的理論框架引入數(shù)字城市、智慧城市領(lǐng)域;結(jié)合3S與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新進(jìn)展,重構(gòu)城市三維地理環(huán)境。選取樂(lè)山市作為研究區(qū),將城市地理環(huán)境的重構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)層、模型層、表達(dá)層3個(gè)層面。首先基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市地理實(shí)體識(shí)別,將地理實(shí)體抽象為點(diǎn)、線、面要素,作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)源;再通過(guò)可視化建模工具(City-Engine2014、Sketch Up8)對(duì)地理實(shí)體、地理過(guò)程進(jìn)行建模,獲取其三維模型;最后利用Lumion 3D平臺(tái)將地理實(shí)體三維模型進(jìn)行整合、渲染,還原與重構(gòu)城市中靜態(tài)地理實(shí)體和動(dòng)態(tài)地理過(guò)程的本征,為國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃與管理、城市信息化建設(shè)提供真實(shí)、便捷的技術(shù)支持。

    VGE;岷江沿岸地區(qū);三維建模;虛擬現(xiàn)實(shí);3S技術(shù)

    隨著數(shù)字城市、智慧城市思想的提出并付諸實(shí)施,構(gòu)建面向全國(guó)的虛擬城市地理環(huán)境已經(jīng)成為國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃與管理、城市信息化建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求。我國(guó)學(xué)者對(duì)于VGE的研究起步較晚,主要是從不同視角對(duì)VGE的理論內(nèi)涵作闡述分析,探討VGE的概念。例如,林琿[1-3]等認(rèn)為VGE旨在通過(guò)集成虛擬環(huán)境和地理學(xué)研究現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境及賽博空間的現(xiàn)象與規(guī)律;龔建華[4]等從虛擬地理環(huán)境形成發(fā)展與研究現(xiàn)狀,以及“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”與“虛擬現(xiàn)實(shí)”的相互關(guān)系,探討了VGE基本概念;閭國(guó)年[5]從現(xiàn)代地理學(xué)研究與發(fā)展前沿需求出發(fā),探討了可支撐地理分析與模擬的虛擬地理環(huán)境的框架、結(jié)構(gòu)與功能,并將虛擬地理環(huán)境分為數(shù)據(jù)環(huán)境、建模環(huán)境、表達(dá)環(huán)境與協(xié)同環(huán)境4個(gè)子環(huán)境。國(guó)外對(duì)于VGE的研究情況:Mac Eachren[6-7]等從地理可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、協(xié)同群體決策、地理信息系統(tǒng)等角度,提出了協(xié)同式地學(xué)虛擬環(huán)境;Batty等則研究了虛擬環(huán)境下的城市建模及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用,開(kāi)展“虛擬倫敦”的建設(shè),發(fā)展了“虛擬地理學(xué)”的概念[8-11]。從最近國(guó)內(nèi)外有關(guān)VGE的研究進(jìn)展看,國(guó)內(nèi)發(fā)展較為滯后,尤其在其規(guī)模應(yīng)用方面,主要還停留在實(shí)驗(yàn)室、科研所的理論層面,而部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于該領(lǐng)域的研究已逐步走向了社會(huì)應(yīng)用。因此VGE重構(gòu)在各領(lǐng)域應(yīng)用將成為我國(guó)目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn),VGE的方案設(shè)計(jì)和執(zhí)行尤為重要。

    1 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案

    1.1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于岷江中游樂(lè)山市,選取的區(qū)域?yàn)榧沃菪鲁牵瑬|西跨度為3.5 km,南北跨度為2 km。嘉州新城是城市規(guī)劃與建設(shè)的重點(diǎn),在城市規(guī)劃過(guò)程中,城市的功能、布局、交通、外觀與周?chē)h(huán)境的配合十分重要。利用VGE方法可將規(guī)劃方案直觀地展示出來(lái),并能進(jìn)行局部修改、實(shí)時(shí)交互,既能縮短城市規(guī)劃的時(shí)間,又能對(duì)各方案的價(jià)值作比較準(zhǔn)確的評(píng)估,達(dá)到輔助決策的目的。嘉州新城具有典型居民建筑、道路等,且由于該地區(qū)緊鄰岷江、大渡河、青衣江的丘陵地貌,所以地貌特征十分明顯,市區(qū)內(nèi)分布河流和湖泊較多,城市綠植被覆蓋度較高。

    1.2 技術(shù)方案與數(shù)據(jù)獲取

    通過(guò)對(duì)嘉州新城地理實(shí)體基本要素的信息采集,獲取地理實(shí)體的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(點(diǎn)、線、建筑面和地形曲面)。由于該地區(qū)地理跨度較小,現(xiàn)有的30 m DEM數(shù)據(jù)無(wú)法體現(xiàn)地形的細(xì)節(jié)信息,所以采用Google Earth上的高程點(diǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合部分RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立3 m DEM。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的建模處理,重構(gòu)地理實(shí)體的三維特征,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還原地理環(huán)境的三維空間信息。本文需要重構(gòu)的地理實(shí)體包括:居民區(qū)(建筑、道路)、植被(草地、林地)、地形(高地、洼地)、水體(湖泊、河流)和天氣系統(tǒng)(光照、云、風(fēng))等;需要的原始數(shù)據(jù)包括:遙感影像(3 m多光譜數(shù)據(jù)),地面高程點(diǎn)云(4 300個(gè)/km2),建筑、植被的紋理信息和氣候(太陽(yáng)高度角、云層厚度、風(fēng)向與風(fēng)力)數(shù)據(jù)。方案實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)主要有遙感影像目視識(shí)別、點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間插值、建筑三維場(chǎng)景建模、植被景觀建模和虛擬現(xiàn)實(shí)。理論框架與技術(shù)方案如圖1所示。

    圖1 理論框架與技術(shù)方案

    2 城市地理環(huán)境重構(gòu)

    2.1 地理實(shí)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

    高分辨率遙感圖像提取地理實(shí)體圖斑具有高效、高精度的特點(diǎn),與傳統(tǒng)測(cè)繪手段獲取的數(shù)據(jù)相比,極大提高了數(shù)據(jù)獲取的效率。研究區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)高分辨率遙感圖像進(jìn)行目視提取,共計(jì)提取建筑、廣場(chǎng)圖斑450個(gè),城市主干路6條、巷路10 條,湖泊圖斑1個(gè),島嶼圖斑1個(gè),山地圖斑20個(gè)。采集面狀地理實(shí)體時(shí),首先要采集目標(biāo)物的輪廓(邊界)線和道路的幾何中心線,其中形狀規(guī)則的地理實(shí)體采集較為容易,部分地理實(shí)體的邊線為非規(guī)則幾何形狀,如湖泊、島嶼,在采集時(shí)可利用貝茲曲線來(lái)擬合地物的邊線。數(shù)據(jù)采集時(shí)采用分層顯示,地理數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。采集地理實(shí)體邊線數(shù)據(jù)后,需進(jìn)行地理拓?fù)洳殄e(cuò)和修改,再拓?fù)涑擅鏍顖D斑。道路采集時(shí),不同等級(jí)道路只采集中心線即可,后期通過(guò)設(shè)定道路寬度創(chuàng)建緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)道路面,研究區(qū)部分地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖2所示。

    2.2 地理實(shí)體三維建模

    在城市地理環(huán)境重構(gòu)時(shí),三維建模是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。城市地理環(huán)境建模意在還原城市的三維空間環(huán)境,并非設(shè)計(jì)和建造景觀,因此具有較大尺度和規(guī)模特性,在構(gòu)建模型時(shí)能表現(xiàn)城市現(xiàn)有的建筑、道路、綠化、河流本來(lái)特征狀態(tài)即可,無(wú)需進(jìn)行過(guò)多美化修飾,以免改變?cè)械乩韺?shí)體的特征[12]。目前主流城市三維建模工具較多,如3D Max、Sketch Up、City Engine等。根據(jù)研究區(qū)地理實(shí)體的特點(diǎn),本文采用Sketch Up結(jié)合City Engine來(lái)完成三維建模過(guò)程。二者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)在于City Engine可對(duì)簡(jiǎn)單建筑的高度、寬度和形狀設(shè)定CGA規(guī)則批量處理來(lái)完成簡(jiǎn)單模型的建模,Sketch Up可對(duì)較為復(fù)雜的建筑進(jìn)行建模處理。由于該區(qū)域地表植被豐富,因此對(duì)于樹(shù)木建模也是一個(gè)重要工作,本文采用Speed Tree來(lái)創(chuàng)建特殊樹(shù)木的模型,而其他常見(jiàn)樹(shù)木模型則采用模型庫(kù)自帶模型。

    圖2 研究區(qū)地理實(shí)體圖斑

    2.2.1 建筑建模

    對(duì)于建筑、山體、道路、公共場(chǎng)地等地理實(shí)體建模,主要將其分成3種類型:山地(地形)、簡(jiǎn)單建筑和復(fù)雜建筑。對(duì)于山地、洼地等和地形有直接關(guān)系的地理實(shí)體,在建模時(shí)利用DEM拉伸方法來(lái)實(shí)現(xiàn),后期可通過(guò)Lumion 3D進(jìn)行渲染,模擬真實(shí)山地和洼地的效果;對(duì)于簡(jiǎn)單建筑可利用City Engine工具進(jìn)行批量建模;對(duì)于復(fù)雜建筑,本文在Sketch Up中利用建筑物的多視角照片匹配建模。部分建筑地理實(shí)體建模后如圖3所示。

    圖3 復(fù)雜建筑Sketch Up三維建模

    2.2.2 地形建模

    VGE中地形是載體,在城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中,地形建模的目的不單是為了還原城市三維結(jié)構(gòu),地形要素也是城市建筑與生命體的一種交互通道。目前國(guó)內(nèi)城市地理建模覆蓋了39個(gè)城市,但在地形建模上還是采用的貼圖,不支持旋轉(zhuǎn)功能,沒(méi)有真正意義上增加地形數(shù)據(jù),這從側(cè)面可以說(shuō)明在城市地理環(huán)境重構(gòu)方面,地形建模難度巨大。研究區(qū)總面積約為7 km2,若直接采用NASA發(fā)布的全球30 m DEM數(shù)據(jù)來(lái)擬合地形,則無(wú)法體現(xiàn)該區(qū)域的地表特征,因此本文根據(jù)研究區(qū)30 m DEM,結(jié)合Google Earth進(jìn)行高程點(diǎn)提取,共計(jì)提取30 000個(gè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù);通過(guò)對(duì)該區(qū)域的實(shí)地勘查,利用RTK獲取典型地物特征點(diǎn)高程點(diǎn)數(shù)據(jù);然后利用數(shù)學(xué)模型對(duì)30 000個(gè)高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,重新構(gòu)建該區(qū)域的TIN,獲取該區(qū)域3 m的DEM,這樣得到的地形能夠滿足構(gòu)建該區(qū)域地理環(huán)境的需求。谷地、山體建模主要通過(guò)DEM數(shù)據(jù)上的高程信息獲取山頂?shù)缴降氐母叱滩?,利用Lumion 3D構(gòu)建山地地形。

    2.2.3 樹(shù)木與湖泊河流建模

    城市綠化中的樹(shù)木、花草是城市地理環(huán)境中重要的組成部分。樹(shù)木建模是三維建模的難點(diǎn),因?yàn)橹参锉旧斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,物種、群落以及環(huán)境因素對(duì)其影響導(dǎo)致其特征復(fù)雜多變,如一棵樹(shù)有幾千片甚至幾萬(wàn)片樹(shù)葉,且葉子存在差異,將一棵樹(shù)做成一個(gè)模型樹(shù)的計(jì)算量十分巨大[13]。而一座城市有多種樹(shù)木類型、每種又有成千上萬(wàn)棵,對(duì)一般的PC機(jī)CPU計(jì)算載荷過(guò)高。因此,植物建模就必須根據(jù)場(chǎng)景需要,采取不同的建模和表達(dá)方式。本文樹(shù)木建模采用的是Speed Tree平臺(tái),由美國(guó)IDV公司研發(fā)??蓪?shù)葉插入軟件中,根據(jù)樹(shù)形創(chuàng)建需要的三維樹(shù)木,建模速度快,效果逼真,且可加載風(fēng)力,形成隨風(fēng)擺動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果。由于本文研究區(qū)較小且樹(shù)木品種較少,因此大部分樹(shù)的模型可采用模型庫(kù)自帶樹(shù),特別樹(shù)種(如小葉樟樹(shù))利用Speed Tree進(jìn)行建模獲取。

    在城市地理環(huán)境中,水體(湖泊、河流)是重要的組成部分,往往占據(jù)整個(gè)城市地理環(huán)境場(chǎng)景的一定面積。本文對(duì)河流和湖泊的建模方式是利用DEM的高程數(shù)據(jù),創(chuàng)建河流谷底、湖泊谷底、山體坡向坡面模型,根據(jù)該地區(qū)的河流、湖泊水深設(shè)置水面高度對(duì)DEM模型谷底和河谷進(jìn)行浸潤(rùn)處理,從而實(shí)現(xiàn)河流和湖泊的建模,如圖4所示。

    圖4 湖泊與島嶼建模效果

    2.3 地理實(shí)體三維表達(dá)

    城市地理實(shí)體模型、地理過(guò)程(河流流動(dòng)、天氣變化)表達(dá)的重構(gòu)是地理環(huán)境的重要環(huán)節(jié),目前對(duì)于VGE的表達(dá)平臺(tái)主要有Multi Gen Creator/Vega、Open Scene Graph、Unity 3D、Skyline和 Lumion 3D[14-15]。Multi Gen Creator和Open Scene Graph可以滿足城市地理環(huán)境的表達(dá),但基于城市規(guī)劃、測(cè)繪學(xué)、地理學(xué)背景的工作人員在平臺(tái)使用上存在巨大限制,因?yàn)橐陨蟽煞N平臺(tái)要求使用者具有較強(qiáng)計(jì)算機(jī)代碼編寫(xiě)能力,因此本文選用Lumion 3D平臺(tái),該平臺(tái)具有零開(kāi)發(fā)的特性,同時(shí)能夠滿足所有地理實(shí)體與地理過(guò)程的表達(dá)。Lumion 3D采用的是GPU高聚光器渲染技術(shù),與CPU相比其浮點(diǎn)運(yùn)算能力具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),因此采用Lumion 3D虛擬城市地理環(huán)境的渲染方法大大提高了自然場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制速率。將建筑、道路、河流、樹(shù)木、島嶼完成建模后的所有模型通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Lumion 3D系統(tǒng)中,渲染建筑紋理、地面植被、河流湖泊表面、云層與日照等地理空間信息,重構(gòu)城市地理環(huán)境。

    2.3.1 天氣系統(tǒng)表達(dá)

    一般在城市建模時(shí),天氣系統(tǒng)經(jīng)常被忽略,使得最后展現(xiàn)的效果無(wú)法表達(dá)城市地理環(huán)境的天氣系統(tǒng)。本文通過(guò)影像獲取的時(shí)間以及樂(lè)山地區(qū)在該時(shí)期的太陽(yáng)高度角、風(fēng)向、云層厚度等天氣參數(shù),來(lái)重構(gòu)地理環(huán)境中的天氣系統(tǒng)。遙感影像獲取時(shí)間為2014-08- 06,天氣晴,根據(jù)樂(lè)山地區(qū)的氣候分區(qū)與特點(diǎn),獲取該區(qū)的太陽(yáng)高度角為87°、云層以塊云為主、方向?yàn)闁|南微風(fēng)。

    2.3.2 建筑、地磚紋理渲染

    城市地理環(huán)境中主要的地理實(shí)體就是建筑和人工的地表鋪設(shè),因此在建模和場(chǎng)景渲染時(shí),主要任務(wù)是完成建筑模型、道路和地磚紋理的渲染。由于道路和地磚的紋理種類較少且厚度為零,表面紋理通過(guò)貼上材質(zhì)的方式,難度不大。但是建筑物的紋理特征較為復(fù)雜,外部建模時(shí)可通過(guò)貼圖和投影來(lái)體現(xiàn)模型外部材質(zhì),但是導(dǎo)入Lumion 3D平臺(tái)后容易出現(xiàn)材質(zhì)脫落和材質(zhì)不理想的情況,所以部分外部模型導(dǎo)入Lumion 3D后的材質(zhì)需要重新修改和渲染(圖5)。

    2.3.3 河流、湖泊、植被紋理渲染

    在場(chǎng)景建模時(shí),水體表達(dá)的好壞對(duì)于工程效果圖、城市三維漫游都十分關(guān)鍵,決定最后成敗。城市中水體的存在是多樣化的,如湖面較為平靜、河流表面要有流動(dòng)波紋,因此對(duì)于城市水體的表達(dá)具有一定難度。早期在水體建模時(shí),水面的表達(dá)方式主要采用拍照貼圖,或采用與水體近似的材質(zhì)進(jìn)行貼圖,因此表達(dá)的僅是靜態(tài)的效果;而動(dòng)態(tài)的水體模擬,如風(fēng)吹水面波光粼粼,就需要噪波系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和重力系統(tǒng)[16]。Lumion 3D 平臺(tái)提供的渲染環(huán)境,為水面的模擬帶來(lái)極大的便利,通過(guò)外部導(dǎo)入的DEM地形和湖泊的邊界線,設(shè)置湖水的高度和風(fēng)向即可獲取動(dòng)態(tài)的水體表面效果,效果與真實(shí)地理環(huán)境中水體十分接近,能夠體現(xiàn)城市中水體的特征。對(duì)于城市中的綠地可以通過(guò)Lumion 3D平臺(tái)的材質(zhì)庫(kù)進(jìn)行獲取,但是為了表現(xiàn)與真實(shí)的城市地理環(huán)境相近的效果,特殊的樹(shù)木品種需要通過(guò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn),本文采用Speed Tree建模來(lái)獲取。樹(shù)木、草地、水體建模在Lumion 3D中渲染。

    圖5 房屋建筑Lumion 3D表達(dá)后效果

    3 結(jié) 語(yǔ)

    本文在理論設(shè)計(jì)與方案執(zhí)行過(guò)程中得出以下結(jié)論:

    1)將VGE引入城市地理環(huán)境是可行的,對(duì)于城市建設(shè)與管理具有一定的技術(shù)支持作用。在城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中,數(shù)據(jù)的獲取與處理十分重要,城市三維空間的還原對(duì)數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量要求高,因此在地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集中要控制誤差。

    2)城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中,三維建模是工作的重點(diǎn),工作量較大。本文將簡(jiǎn)單建筑和復(fù)雜建筑分開(kāi)建模,且采用City Engine(CGA規(guī)則)和Sketch Up(照片匹配)建模方法,大大提高了城市建模的速度。

    3)城市地理環(huán)境的難點(diǎn)主要在于地理表達(dá)層。將現(xiàn)有的三維模型有機(jī)組合匹配,且所提供的場(chǎng)景要求具有天氣系統(tǒng)、地形系統(tǒng)、水面粒子系統(tǒng),所以難度巨大。通過(guò)分析主流的地理表達(dá)平臺(tái),Lumion 3D可滿足以上要求。利用Lumion 3D對(duì)樂(lè)山市嘉州新城區(qū)三維地理環(huán)境進(jìn)行了重構(gòu),效果理想。

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    1672-4623(2016)09-0056-04

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    王海軍,碩士,講師,從事遙感與GIS應(yīng)用研究。

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