城市三維實(shí)體建模技術(shù)研究

荊瑩

摘要：三維城市模型尤其是鑲嵌有影像紋理的真實(shí)感三維模型的建立，使得對(duì)于城市景觀現(xiàn)狀分析和規(guī)劃設(shè)計(jì)的描述擺脫了常規(guī)的基于二維地圖和三維實(shí)物模型的表達(dá)方式，代之以計(jì)算機(jī)輔助的三維表現(xiàn)，決策者、設(shè)計(jì)者和市民、用戶對(duì)城市景觀的現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)的藍(lán)圖有著直觀的三維效果印象，更符合人們的視覺習(xí)慣。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市；建模對(duì)象

城市三維景觀模型是根據(jù)建筑物的實(shí)際三維地理坐標(biāo)構(gòu)建的真實(shí)模型，是城市地形及地物結(jié)合描述的三維計(jì)算機(jī)模型。在此三維景觀模型中，建筑物之間的空間位置關(guān)系與實(shí)地是完全對(duì)應(yīng)的，而且任意點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)是可以量測(cè)的。三維城市模型尤其是鑲嵌有影像紋理的真實(shí)感三維模型的建立，使得對(duì)于城市景觀現(xiàn)狀分析和規(guī)劃設(shè)計(jì)的描述擺脫了常規(guī)的基于二維地圖和三維實(shí)物模型的表達(dá)方式，代之以計(jì)算機(jī)輔助的三維表現(xiàn)，決策者、設(shè)計(jì)者和市民、用戶對(duì)城市景觀的現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)的藍(lán)圖有著直觀的三維效果印象，更符合人們的視覺習(xí)慣。三維城市模型和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的結(jié)合是數(shù)字城市的重要組成部分，在萬維網(wǎng)上描繪城市規(guī)劃，使得普通市民可參與建筑物的設(shè)計(jì)規(guī)劃及景觀評(píng)估，設(shè)計(jì)人員可以比較不同設(shè)計(jì)階段的模型，在吸收各方面意見的基礎(chǔ)上靈活地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改、完善。

1 數(shù)字城市中的主要建模對(duì)象

現(xiàn)實(shí)生活中，數(shù)字城市中所包含的信息是非常復(fù)雜的，為了便于城市景觀可視化，我們可以對(duì)其進(jìn)行分類。三維城市模型數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、城市固定地物（房屋、道路、水系、橋梁、路燈等）的三維矢量數(shù)據(jù)、材質(zhì)、紋理和相關(guān)的多媒體屬性數(shù)據(jù)。

1.1城市的地形地貌。地形地貌為城市景觀中最基本的元素，是其他空間地物賴以存在的基礎(chǔ)。真實(shí)地形的表達(dá)，需要地表高程與影像信息。數(shù)字高程模型DEM：地表高程通常由DEM表示，DEM的數(shù)據(jù)來源主要包括：野外測(cè)量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、航空影像、航天遙感數(shù)據(jù)、地形圖等。其中野外測(cè)量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度是最高的，一般用于建立小范圍的大比例尺（如比例尺大于1：2000）的DEM。航空影像精度較高，可以快速獲取或更新大面積的DEM數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的需要。航天遙感數(shù)據(jù)也是快速獲取大范圍DEM數(shù)據(jù)的有效方式。

1.2建筑物及其附屬設(shè)施。建筑物是三維城市模型所要表現(xiàn)的主要內(nèi)容，它具有多樣性的外觀，反映了城市景觀的主要風(fēng)貌。在三維城市模型中，建筑物涵蓋了城市中不同類型的各類建筑，包括民用住宅、商業(yè)辦公建筑、廠礦企業(yè)建筑、公用建筑等。對(duì)任意建筑，可以在結(jié)構(gòu)上劃分為三個(gè)部分，即主體部分、屋頂部分以及附屬建筑部分。主體部分表達(dá)房屋整體空間結(jié)構(gòu)，其頂部為平坦或傾斜的平面，平面形狀有矩形、圓形和多邊形三種。如果主體部分懸空，則同時(shí)需要表達(dá)懸空部分的下底面；屋頂部分表達(dá)建筑物的房頂結(jié)構(gòu)。

房頂部分是建筑物各部分中最為復(fù)雜的部分，也最能反映建筑物的特征。需要表達(dá)的房頂結(jié)構(gòu)包括房檐、天窗等。雖然屋頂?shù)男螒B(tài)多樣，但基本可以分為平坦屋頂、人字形屋頂和復(fù)雜的組合屋頂三種類別。對(duì)不同類型的屋頂，可以通過房檐線、屋脊線和特征線三類數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)。房檐線是房頂在水平面的外圍邊界線；屋脊線是屋頂?shù)膬蓚€(gè)相對(duì)傾斜平面的交線；特征線是描述房屋頂面內(nèi)各種結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)。附屬建筑一般包括煙囪、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備、陽臺(tái)、門廊、車庫、圍墻等。建筑物附屬設(shè)施往往具有相似的結(jié)構(gòu)，可建立標(biāo)準(zhǔn)的模型庫，其幾何數(shù)據(jù)依據(jù)建筑物的大小和形狀來確定。

1.3 附屬公共設(shè)施。附屬公共設(shè)施也是城市三維模型中需要表達(dá)的主要地物類型，它包括管線、路燈、圍欄、指示標(biāo)志以及具有獨(dú)特人文價(jià)值的獨(dú)立地物等。由于每種類型的獨(dú)立地物都有復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)，因此通常由專門的三維造型軟件制作其精細(xì)的三維模型，一般還需記錄其中心點(diǎn)坐標(biāo)，如果規(guī)則排列，則記錄附屬公共設(shè)施的間隔距離與分布路徑。

城市植被可分為兩類，一類為低矮的綠色植被如草地、花從、灌木，一類為具有一定高度的植物，主要是城市樹木。對(duì)前一類植被的表達(dá)比較簡(jiǎn)單，其幾何數(shù)據(jù)是綠地的外圍邊界，紋理數(shù)據(jù)是植被紋理模型的重復(fù)。對(duì)城市樹木，如果滿足：1、與臨近建筑物相比具有一定高度；2、在城市空地中具有明顯特征；3、沿街道連續(xù)排列，則一般需要建立樹木的三維模型。水域主要包括人工湖、護(hù)城河、水體花園等，具有明確的邊界條件且范圍內(nèi)高程值幾乎沒有變化，其模型構(gòu)造可通過邊界多邊形的三角剖分來實(shí)現(xiàn)，保證其法向量向上?；蛘哂瞄]合多邊形來表示水體范圍，用相應(yīng)的紋理數(shù)據(jù)表達(dá)不同性質(zhì)的水體。

2 數(shù)字城市地形模型的建立

地形是人類賴以生存并從事一切實(shí)踐活動(dòng)的基礎(chǔ)，是城市中各類地物的載體。數(shù)字高程模型（DEM）是用來描述地形表面起伏特征的表面幾何模型，是對(duì)地形的離散數(shù)字表達(dá)方式。在地學(xué)領(lǐng)域，常用的數(shù)字高程模型有規(guī)則格網(wǎng)地形模型（Grid）和不規(guī)則三角網(wǎng)地形模型（TIN）。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：TIN更適合描述地形較為復(fù)雜的地區(qū)，具有較高的精度；而Grid模型具有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，適合于平坦地區(qū)。我們從等高線數(shù)據(jù)出發(fā)，就規(guī)則格網(wǎng)地形模型的地形建模方法進(jìn)行敘述。

3三維空間數(shù)據(jù)模型的表示

建立3D GIS的空間數(shù)據(jù)模型一直以來受到很多專家學(xué)者的關(guān)注。三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大致可分為兩大類：一類是基于面表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：規(guī)則格網(wǎng)（Grid），不規(guī)則三角網(wǎng)，邊界表示法和參數(shù)函數(shù)法；另一類是基于體表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：三維柵格，八叉樹，結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何和四面體格網(wǎng)（TEN）。第一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于通過空間表面表示來形成3D空間目標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是便于確定幾何元素間的拓?fù)潢P(guān)系，不足之處是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第二類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)重于3D空間體的表示，通過對(duì)體的描述實(shí)現(xiàn)3D空間目標(biāo)表示，其便于顯示和數(shù)據(jù)更新，缺點(diǎn)是空間分析難以進(jìn)行。

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