數(shù)字城市三維建模可視化技術研究與分析

任英橋+王磊

摘 要：三維模型在三維空間信息的表達上更為快速而逼真，在數(shù)字城市的建設中逐步成為研究重點。建筑物三維建模要完成數(shù)據(jù)采集、三維建模、模型發(fā)布等程序，以實現(xiàn)三維模型的可視化，為三維模型的應用提供使便利的條件。

關鍵詞：數(shù)字城市；三維建模；可視化；三維模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.116

數(shù)字城市是根據(jù)數(shù)字地球概念而提出的，信息化技術對城市發(fā)展的推動使數(shù)字城市不斷完善。數(shù)字城市的發(fā)展使三維模型逐步進入城市規(guī)劃與管理領域中，三維模型具備了極強的真實性和生動性，有效地傳達了數(shù)字城市的空間信息，因此成為數(shù)字城市研究的重點領域。作為城市空間信息的關鍵組成部分，建筑物是三維建模的重點內容，快速又逼真地為建筑物建立三維模型是建模的重點。

1 三維模型數(shù)據(jù)采集方法

1.1 地形地貌三維模型數(shù)據(jù)采集

三維建模的基礎工作就是從各種數(shù)據(jù)源中提取各種建模數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)源包括建筑物設計圖紙和文件、城市的數(shù)字地圖以及2DIGS數(shù)據(jù)庫、攝影測量的數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及野外采集數(shù)據(jù)等。數(shù)字攝影測量能夠為建模提供各種幾何以及紋理數(shù)據(jù)，并且還可以提供各種拓撲以及語義信息。遙感數(shù)據(jù)能夠提供高分辨率的遙感影像，能夠使城市三維模型獲得詳細而豐富的幾何以及語義信息，能夠生成正射影像以及DTM數(shù)據(jù)，合成孔徑雷達則能夠提供詳細的地形地貌數(shù)據(jù)、地球表面以及地表下面的數(shù)據(jù)。在數(shù)字城市的三維建模中，需要的數(shù)據(jù)源包含二維圖形、地形地貌、地表信息、三維觀測數(shù)據(jù)以及模型表面的紋理等。

1.2 地面建筑物和構筑物三維模型數(shù)據(jù)采集

建構筑物三維模型所包含的內容有建筑、交通設施、植被以其他城市元素等模型。這些數(shù)據(jù)包括三維坐標、地物紋理以及地物屬性等數(shù)據(jù)。通過掃描平面地形圖以及設計圖、野外采集、GIS獲取以及遙感或航拍影像等能夠獲得三維坐標數(shù)據(jù)。通過建造圖紙、GIS、影像、激光雷達以及航拍攝像等能夠獲得三維高程數(shù)據(jù)。通過航空攝影、近景攝影以及計算機模擬繪制等技術能夠獲得地物表面數(shù)據(jù)。地物屬性數(shù)據(jù)則能夠從全國土地普查數(shù)據(jù)中獲得。

2 三維建模方式

2.1 三維軟件建模

AutoCAD、3DMAX、Maya等圖形和動畫軟件是當前主要使用的建模軟件，這些軟件能夠通過各種基本幾何圖形組成實體，再經過基本的幾何變換構建不同的幾何場景。利用這些軟件建立三維模型時，核心在于使用幾何建模來設計并表達一些虛擬的場景和造型。但這些軟件有很大的不利因素，如數(shù)據(jù)結構較為復雜且數(shù)據(jù)量較大，并且無法和地形進行疊加等。

2.2 專業(yè)建模軟件

MutiGen Creator等軟件具備了強大的功能，能夠進行大面積地形的建模作業(yè)，并且在運行中還可實現(xiàn)交互操作，也能夠對動畫場景進行實時計算，通過拓展性開發(fā)，還能夠和影像、矢量以及DEM數(shù)據(jù)作疊加。但在表達上精細度不足，也不能進行快速有效的交互編輯以及查詢工作。

2.3 OpenGL開發(fā)

OpenGL+VC模式，是以編程的方式構建模型。這種方式能夠使用大量的數(shù)學曲線和曲面來表現(xiàn)三維模型，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)結構的自定義和算法的數(shù)據(jù)顯示等功能。在實際使用中，一般使用3DMAX 或者MutiGen Creator來制作三維模型。

2.4 建模流程

首先處理二維矢量數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導入進3DMAX軟件中。對數(shù)據(jù)進行分析并提取其中所包含的建筑物輪廓線，再結合實地影像和測量數(shù)據(jù)，將樓層數(shù)以及高程數(shù)據(jù)導入到軟件中，開始建立三維模型。完成模型后，導入已經處理完畢的表面紋理圖片，然后貼圖并檢查模型質量。檢查合格后再進行模型優(yōu)化，利用渲染以及烘焙等優(yōu)化模型。最后導出三維模型并保存。在存儲數(shù)據(jù)時，由于三維模型數(shù)據(jù)量龐大、結構復雜，因此需要使用專業(yè)的軟件來建立數(shù)據(jù)庫，如Oracle、SQL Server、Sybase、DB2以及Infomix等軟件，將數(shù)據(jù)入庫后，就能夠通過三維軟件實現(xiàn)模型可視化。

3 三維模型可視化

三維可視化是把圖像通過三維方式展現(xiàn)出來，通過影像處理、計算機模擬仿真、高清晰度顯示以及CG等技術的支持，就能夠利用圖形圖像的方式來顯示三維模型，用戶可以進行交互和操作。

當前主流三維展示平臺有Google Earth、SkylineGlobe、World Wind、圖靈VRMap以及GeoGlobe等軟件，其中，SkylineGlobe是使用較為方便和頻繁的一種演示系統(tǒng)。。部分城市建立了自己的數(shù)字城市展示平臺，圍繞服務理念，建立了一個多層次的體系架構，通過企業(yè)服務總線支持，建立了一個集.NET和J2EE為一體的運行環(huán)境，能夠對數(shù)據(jù)庫、業(yè)務流程、動態(tài)表單等進行管理，還能提供空間數(shù)據(jù)引擎服務。在平臺物理構成上主要包括了運行環(huán)境、地理信息平臺以及綜合應用系統(tǒng)。信息平臺能夠提供矢量數(shù)據(jù)、三維地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并且能夠滿足政府、企業(yè)和大眾的瀏覽、分析以及決策需求，通過拓展運用，更能支持數(shù)據(jù)的編輯與交換、展示、分析、統(tǒng)計、匯總、輸出以及維護等功能。

4 結語

在當前的數(shù)字城市三維建?？梢暬夹g中主要使用3DMAX技術進行建模，再利用數(shù)據(jù)庫存儲軟件進行數(shù)據(jù)的存儲，利用數(shù)字城市展示平臺實現(xiàn)了三維模型的可視化，并且可以提供顯示、定位、查詢等功能。在三維模型的建立中，要從數(shù)據(jù)的采集、三維建模、模型發(fā)布以及模型應用等相關環(huán)節(jié)，就能夠順利的完成數(shù)字城市的三維建模可視化操作。

參考文獻：

[1]周楊.數(shù)字城市三維可視化技術及應用[D].中國人民解放軍信息工程大學，2002.

[2]肖永輝.城市景觀三維建模與可視化技術的研究[D].解放軍信息工程大學，2006.

[3]周圣川.大規(guī)模城市場景圖形圖像混合建模與視覺無損渲染技術[D].中國海洋大學，2014.

[4]李麗.基于IMAGIS的數(shù)字城市三維建模與可視化研究[D].江西理工大學，2007.

[5]杜福光.基于ArcScene城市三維可視化研究與應用[D].西安科技大學，2010.