基于Skyline的三維實(shí)景地圖創(chuàng)建

朱濤，黎恒明，杜延峰，方青

（西安測(cè)繪總站，西安 710054）

基于Skyline的三維實(shí)景地圖創(chuàng)建

朱濤，黎恒明，杜延峰，方青

（西安測(cè)繪總站，西安 710054）

隨著“數(shù)字城市”建設(shè)迅猛發(fā)展和三維可視化技術(shù)不斷成熟完善，三維實(shí)景地圖作為其基本載體，在城市空間信息共享和數(shù)字化管理水平等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。以Skyline為平臺(tái)，在采用RCD30傾斜相機(jī)航攝數(shù)據(jù)獲取基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，集成融合影像數(shù)據(jù)、地形矢量、專題數(shù)據(jù)等多源信息，構(gòu)建城市三維地表數(shù)據(jù)集。結(jié)合城市實(shí)際將地物分為建筑物、植被、交通運(yùn)輸設(shè)施、獨(dú)立地物等四類，采用3ds Max、TerraExplorer搭建地物三維框架并進(jìn)行紋理映射，獲取城市三維地物數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景地圖創(chuàng)建。

三維實(shí)景地圖；三維建模；Skyline

0 引言

近年來(lái)，隨著傾斜攝影技術(shù)的日趨成熟和地理空間信息動(dòng)態(tài)可視化強(qiáng)需求的不斷增強(qiáng)，特別是Skyline[1，2]、SketchUp[3]等開發(fā)平臺(tái)不斷完善極大推動(dòng)了實(shí)景三維地圖技術(shù)研究，使“數(shù)字城市”建設(shè)得到了迅猛發(fā)展。三維實(shí)景地圖作為“數(shù)字城市”基本載體，將三維實(shí)景模型與三維地理信息系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠全方位、直觀地給用戶提供城市真實(shí)感的三維場(chǎng)景信息，并具有多維信息處理和空間分析的特點(diǎn)[4]，有效提升了地理空間信息的數(shù)據(jù)集成應(yīng)用效能，為政府機(jī)關(guān)及各行業(yè)提高工作效率和管理水平提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在城市管理、國(guó)土資源、測(cè)繪等方面有著廣泛的應(yīng)用。本文以Skyline軟件為平臺(tái)，融合4D測(cè)繪產(chǎn)品、影像數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等多源信息，運(yùn)用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，對(duì)城市地面地表地物進(jìn)行三維建模，并建立各種對(duì)象專題屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)景地圖的構(gòu)建。

1 Skyline軟件

Skyline是一款具有先進(jìn)的數(shù)字化三維顯示、可視化漫游和基礎(chǔ)三維分析功能的三維虛擬地球軟件，由TerraExplorer、TerraBuilder、TerraGate等三大應(yīng)用模塊組成。該軟件平臺(tái)提供了從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、編輯到網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的一整套的成熟的商業(yè)解決方案[5]。可疊加航空影像、衛(wèi)星影像、矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型等多源數(shù)據(jù)以及地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，支持ERDAS IMAGINE、ER-Map鄄per、GeoTIFF、BMP、JPEG、GIF、NITF、SID、WFS、GML、SDE、WMS、AutoCAD、Oracle、Excel、Shp、3ds Max等多種數(shù)據(jù)格式，通過Internet進(jìn)行創(chuàng)建、瀏覽、發(fā)布交互式完全真實(shí)的三維環(huán)境模型。同時(shí)，支持 COM、Java Script、Visual C++、Visual Basic等語(yǔ)言腳本訪問API應(yīng)用程序接口，進(jìn)行二次開發(fā)，定制客戶化應(yīng)用程序。

TerraBuilder主要用于構(gòu)建三維可視化的地形地貌，高精度的計(jì)算地形起伏，將采集得到的影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的貼到指定坐標(biāo)[6]。該模塊能對(duì)不同分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行重新投影，簡(jiǎn)潔、快速地創(chuàng)建3D數(shù)據(jù)集。用戶可通過TerraBuilder創(chuàng)建、編輯具有精確地理坐標(biāo)的三維地形數(shù)據(jù)，添加二維、三維實(shí)體模型，生成任意尺度的現(xiàn)實(shí)視景，并通過Stream或者Package的形式分發(fā)到客戶端。

2 三維地表模型構(gòu)建

三維地表模型是對(duì)真實(shí)世界三維地表的模擬，準(zhǔn)確反映地貌單元、地形起伏、地面覆蓋等實(shí)際情況。建立合適的地表模型和處理流程，是準(zhǔn)確描述復(fù)雜地表區(qū)域的關(guān)鍵。本文三維地表模型主要對(duì)道路、水系、廣場(chǎng)、草地等地面覆蓋進(jìn)行處理。在搭建三維地表模型時(shí)，借助Skyline軟件中的TerraBuilder模塊，疊加真正射影像TDOM、數(shù)字高程模型DEM、地形數(shù)據(jù)等多源信息，按照多級(jí)金字塔方式進(jìn)行分級(jí)、管理、顯示和表達(dá)，創(chuàng)建具有地理參考的、精確坐標(biāo)的多分辨率地表數(shù)據(jù)集MPT,具體流程如圖1所示。

圖1 三維地表建模流程

（1）建立模型文件。新建工程，定義名稱和路徑，根據(jù)場(chǎng)景大小選擇相應(yīng)的三維地形方式。

（2）參數(shù)設(shè)置。對(duì)需要添加的數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和高程設(shè)置。Skyline提供球面（Globe）和平面（Planar）兩種模型，選擇球面工程使用WGS84坐標(biāo)系，選擇平面工程根據(jù)相應(yīng)要求選擇合適的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。高程設(shè)置主要是剔除無(wú)意義的高程值，如空值和峰刺。

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。Skyline支持的數(shù)據(jù)格式有：TIFF、BMP、IMG、SID、ECW、GIF、JPG、DEM、ADF等。導(dǎo)入數(shù)據(jù)之前需要統(tǒng)一地理坐標(biāo)與投影信息。

（4）建立多級(jí)金字塔。為流暢分級(jí)顯示空間信息，對(duì)導(dǎo)入的影像和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分塊索引，生成不同級(jí)別的分辨率文件，創(chuàng)建金字塔層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)MPU文件。

（5）數(shù)據(jù)編輯。按照各項(xiàng)指標(biāo)與精度要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，包括地理參數(shù)設(shè)置、影像直方圖調(diào)整、場(chǎng)景范圍選擇、色彩調(diào)整、高程設(shè)置等。

（6）生成地表數(shù)據(jù)集。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理后，可以打包生成三維地表數(shù)據(jù)集MPT文件，如圖2所示。在打包過程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，為了防止壓縮失真，采用最小壓縮比。

圖2 三維地表模型

3 三維地物模型構(gòu)建

構(gòu)建三維地物場(chǎng)景需要根據(jù)三維模型的重要程度來(lái)進(jìn)行不同精度的模型制作，還要對(duì)數(shù)據(jù)的制作標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)流程做嚴(yán)格的規(guī)定與限制，包括制作精度和級(jí)別的劃分，制作單位，坐標(biāo)系統(tǒng)和制作技術(shù)等流程進(jìn)行規(guī)范[7]。根據(jù)地理要素體系和相應(yīng)要求，將城市三維地物模型分為建筑物、植被、交通運(yùn)輸設(shè)施、獨(dú)立地物等四類。獨(dú)立地物主要考慮路燈、電線桿、通信桿、電話亭、垃圾桶等公共設(shè)施及其他地物。

三維地物建模方法通常分為兩種，第一種是利用3ds Max、AutoCAD、3D Studio、MultiGen、SketchUp等外部工具建模后導(dǎo)入到系統(tǒng)中，第二種方法是利用軟件內(nèi)部工具直接模擬開發(fā)。本文根據(jù)三維地物模型難易程度采取相應(yīng)的方式建模：對(duì)于簡(jiǎn)單建筑物，利用利用TerraExplorer模塊直接建模；對(duì)于復(fù)雜建筑物、植被、交通運(yùn)輸設(shè)施和獨(dú)立地物，采用3ds Max建模，紋理部分采取部分真實(shí)部分模擬的方式。具體建模流程如圖3所示。

三維框架是三維建模所需的空間定位信息和幾何形態(tài)信息，主要在立體模型中采集。三維框架構(gòu)建可分為素材準(zhǔn)備、模型制作、光影烘培三個(gè)階段。素材準(zhǔn)備階段是進(jìn)行外業(yè)照片采集、室內(nèi)照片處理和色調(diào)調(diào)整的過程，其中色調(diào)必須以影像色調(diào)為基礎(chǔ)色調(diào)進(jìn)行調(diào)整；模型制作階段進(jìn)行矢量提取、幾何特征加工、模型生成；光影烘培主要是對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化建模。實(shí)際制作過程中，根據(jù)地物模型適當(dāng)調(diào)整。

（1）對(duì)于建筑物，首先用真正射影像輪廓確定建筑物頂部，然后實(shí)地確定建筑物的位置、高度、基底形狀、立面結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施的輪廓和位置信息，根據(jù)實(shí)際地理位置進(jìn)行偏移糾正，最后建立建筑物白模，如圖4所示。

圖3 三維地物建模流程

圖4 建筑物白模

（2）對(duì)于交通運(yùn)輸設(shè)施，道路按照地表模型來(lái)采集，高架道路設(shè)施和橋梁則參照建筑物模型建立三維框架。

（3）對(duì)于植被，要區(qū)分獨(dú)立樹和林地。獨(dú)立樹要確定位置、高度和類型，通過軟件模型庫(kù)或者互聯(lián)網(wǎng)資源來(lái)選取合適的模型。林地需要確定各類植被的平均高度，還要通過實(shí)地拍照方式確定其空間布局，選擇合適模型來(lái)模擬。

（3）對(duì)于獨(dú)立地物，要測(cè)量位置、形狀和立面結(jié)構(gòu)，并收集幾何形態(tài)的細(xì)節(jié)特征，通過3ds Max建模。

紋理映射是把二維的紋理圖像映射到三維物體表面，其關(guān)鍵點(diǎn)就是建立物體空間坐標(biāo)與紋理空間坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]。紋理映射的質(zhì)量直接決定三維場(chǎng)景的整體效果和細(xì)節(jié)表現(xiàn)，反映三維實(shí)景地圖的逼真程度和視覺效果。在紋理映射中，需要確保紋理數(shù)據(jù)與面映射的準(zhǔn)確性，才能真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)地物。

紋理映射一般有以下三種方法：①由三維建模軟件模擬繪制。適用矢量建模，數(shù)據(jù)量比較小，處理速度快，但缺乏真實(shí)感；②由傾斜攝影方式采集。主要獲取地面、建筑物頂部和部分側(cè)面紋理，紋理信息豐富，但是存在變形扭曲等問題，后期圖像處理工作量大；③由地面攝影方式直接提取。這種方法主要獲取建筑物立面紋理，比較逼真，但是工作量較大，處理比較麻煩?？傊?，紋理映射要按照不同模型類型和細(xì)節(jié)層次采用滿足建模要求的方式采集，才能模擬出真實(shí)的三維模型，如圖5所示。

圖5 三維地物模型

（1）地表紋理信息：地表紋理數(shù)據(jù)利用數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)采集，精細(xì)地表模型紋理采取實(shí)地拍攝方式采集。

（2）建筑物模型紋理信息：建筑模型的立面紋理采取實(shí)地拍照方式采集，頂面紋理可利用數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)，也可利用相似紋理模擬。

（3）交通運(yùn)輸設(shè)施紋理信息：頂部基本紋理利用數(shù)字正射影像采集，頂部路面標(biāo)線、立面和底部紋理實(shí)地拍照方式采集。

（4）植被和獨(dú)立地物紋理像信息：采取實(shí)地拍照采集或相似紋理計(jì)算機(jī)模擬的方式獲取。

4 地圖創(chuàng)建與顯示

本文首先采用RCD30傾斜相機(jī)航攝數(shù)據(jù)，通過空中三角測(cè)量、DEM編輯、真正射影像制作等常規(guī)攝影測(cè)量生產(chǎn)，獲得基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品。然后，在開發(fā)Skyline基礎(chǔ)上搭建三維可視化平臺(tái)，提出三維實(shí)景地圖創(chuàng)建解決方案。將三維實(shí)景地圖按照三維地表模型和三維地物模型兩步分別進(jìn)行構(gòu)建。三維地表模型主要對(duì)道路、水系、廣場(chǎng)、草地等地面覆蓋進(jìn)行處理，在真正射影像TDOM上疊加數(shù)字高程模型DEM得到多分辨率地表數(shù)據(jù)集。三維地物模型主要對(duì)建筑物、植被、交通運(yùn)輸設(shè)施、獨(dú)立地物等進(jìn)行處理，用3ds Max、TerraExplorer搭建三維框架，采取實(shí)地拍照、真正射影像和計(jì)算機(jī)模擬等方式采集紋理信息并進(jìn)行映射，從而獲得逐一構(gòu)建三維地物模型。通過上述方式搭建和精細(xì)化操作之后，可構(gòu)建與實(shí)地一致的三維環(huán)境，動(dòng)態(tài)立體顯示地圖信息，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)景地圖創(chuàng)建，如圖6所示。

圖6 三維實(shí)景地圖

[1]YANG Jiu-ling,YAO Ping,YUAN Li.Composition and Analysis of Urban Skyline in Lakefront Region ofWanzhou District in Chongqing Municipality[J].Journal of Landscape Research，2016，8(3)：17-18.

[2]唐濤,陳宏宇,梁磊,翁中銀.基于Skyline的三維數(shù)字城市系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息，2016，14(02)：31-33.

[3]曹兆峰,何燕蘭,李勝才.基于Sketchup和ArcGIS的數(shù)字城市三維建模技術(shù)[J].地理空間信息，2014，12(05)：46-47.

[4]羅萬(wàn)波,陳小鴻,謝祖明.基于Skyline三維實(shí)景模型在三維GIS中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016，39(07)：94-96.

[5]王之順.基于Skyline和SketchUp的三維可視化技術(shù)研究[D].廈門:福建師范大學(xué),2012.

[6]李閩泉.基于Skyline的三維GIS在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用研究[D].廈門:廈門大學(xué),2014.

[7]高晉寧.基于Skyline的城市三維景觀模型構(gòu)建研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2012.

[8]戴洪寶.基于Skyline的數(shù)字城市三維可視化系統(tǒng)的研究[D].西安:西安科技大學(xué),2010.

Building of Real Three-DimensionalMap Based on Skyline

ZHU Tao,LIHeng-min,DU Yan-feng,FANG Qing
（The Xi'an Surveying and Mapping Technological Center,Xi'an 710054）

With the rapid development of digital city construction and continuous improvement of three-dimensional visualization technology,real three-dimensionalmap as the basic carrier,has a broad application prospect in the field of urban spatial information sharing and digital management.Takes skyline as the platform,on the basis of using the aerial photographic data of RCD30 oblique camera to acquire basic surveying and mapping products,integrating of image data,terrain vector,thematic data and othermulti-source information,to construc鄄tion of urban 3D surface data set.According to the actual situation of the city,it can be divided into four categories,such as building, vegetation,transportation facilities,independent objects,and so on,using 3ds Max and TerraExplorer to build three-dimensional terrain features and texturemapping to obtain urban 3D feature data set,so as to extract real three-dimensionalmap building.

朱濤（1989-），男，湖北黃岡人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)量與遙感

黎恒明（1965-），男，江蘇高郵人，本科，高級(jí)工程師，研究方向目標(biāo)判讀與解譯

杜延峰（1977-），男，河南偃師人，專業(yè)碩士，工程師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感

方青（1986-），男，陜西延安人，本科，工程師，研究領(lǐng)域：攝影測(cè)量與遙感

2017-03-06

2017-04-15

1007-1423（2017）13-0042-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.13.010

Real Three-Dimensional Map;3DModeling;Skyline