淺談數(shù)字城市三維建模作用

周懷清

摘 要：城市現(xiàn)代化建設(shè)是城市信息化建設(shè)的主體，在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化、信息化的大背景下，數(shù)字城市是未來(lái)城市建設(shè)的發(fā)展方向。三維城市模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，給城市建設(shè)帶來(lái)了數(shù)字化的思維及設(shè)計(jì)方式，更為城市的規(guī)劃和管理提供方便、直觀、可行的平臺(tái)。隨著科技的發(fā)展，三維數(shù)字技術(shù)發(fā)展會(huì)越來(lái)越快，其作用也將越來(lái)越大，有著良好的發(fā)展前景。

前言

三維城市模型包含了建筑物三維結(jié)構(gòu)模型、建筑物紋理貼圖、數(shù)字高程模型、地面紋理影像等多種數(shù)據(jù)，首先對(duì)城市的地形地物進(jìn)行測(cè)量，獲取建筑物和地面的結(jié)構(gòu)信息，高度信息和紋理信息，再通過(guò)三維可視化軟件制作成三維仿真景觀模型。

1 數(shù)字城市建設(shè)的現(xiàn)狀及基本框架

1.1 數(shù)字城市建設(shè)的現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)數(shù)字城市建設(shè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有將近700個(gè)大、中城市，約有30 000個(gè)小城鎮(zhèn)已經(jīng)開(kāi)展了"數(shù)字城市"建設(shè)工程。"數(shù)字城市"作為城市信息化建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及到城市規(guī)劃、管理、文化、經(jīng)濟(jì)等社會(huì)生活各領(lǐng)域。

1.2 數(shù)字城市建設(shè)的內(nèi)容及技術(shù)

1）數(shù)字城市建設(shè)主要包括：建立由城市空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)、城市綜合信息平臺(tái)和城市電信基礎(chǔ)平臺(tái)組成的核心系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)信息的共享；建立應(yīng)用系統(tǒng)；建立網(wǎng)絡(luò)與信息接入設(shè)備，通過(guò)這些設(shè)備可以直接面向終端用戶(hù)服務(wù)；建立政策法規(guī)與保障體系，該體系能夠?yàn)閿?shù)字城市的建設(shè)及運(yùn)行提供法律、經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、組織和管理等方面的保障；

2）數(shù)字城市建設(shè)的信息支撐技術(shù)主要包括遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、城市綜合功能GIS技術(shù)、數(shù)字城市的管理信息技術(shù)、虛擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)技術(shù)、元數(shù)據(jù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)等，可以將這些技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用，最終達(dá)到城市空間數(shù)據(jù)的獲取、分析、歸納及整合；

3）數(shù)字城市的服務(wù)對(duì)象主要包括政府，企業(yè)，社會(huì)以及公眾四方面。

2 三維數(shù)字城市模型的構(gòu)成及分類(lèi)

三維數(shù)字城市模型主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，三維模型，運(yùn)行環(huán)境（包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境）及三維投影設(shè)備組成。

2.1 模型的總體構(gòu)成

城市三維地理信息服務(wù)系統(tǒng)通常使用B/S模式，Web服務(wù)器可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)布服務(wù)器與使用終端的無(wú)縫鏈接，并在瀏覽器環(huán)境下為用戶(hù)提供正常的數(shù)據(jù)瀏覽以及查詢(xún)服務(wù)。城市三維地理信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用體系一般由數(shù)據(jù)層，功能展示層，應(yīng)用服務(wù)層構(gòu)成。

2.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層一般是利用地形數(shù)據(jù)融合軟件，將遙感影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)融合成三維場(chǎng)景，再經(jīng)過(guò)壓縮處理后形成地形文件（MPT），再以數(shù)據(jù)流的方式被讀取 出 來(lái)。

WFS（Web Feature Service）和WMS（Web Map Service）會(huì)被進(jìn)行規(guī)范化處理，通常以O(shè)penGIS數(shù)據(jù)服務(wù)接口進(jìn)行規(guī)范，并提供二維數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.1.2功能展示層

功能展示層可以提供完整的用戶(hù)界面，支持系統(tǒng)完成三維地理信息的瀏覽、查詢(xún)、分析以及展示等功能。同時(shí)，還可為其他增值業(yè)務(wù)提供一些擴(kuò)展接口，滿(mǎn)足未來(lái)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展需要。

2.1.3應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層是通過(guò)空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供三維數(shù)據(jù)的服務(wù)接口，提供各種行業(yè)的使用服務(wù)。例如公共安全，交通國(guó)土資源，水利，虛擬旅游以及電力能源等領(lǐng)域。

2.2 模型分類(lèi)

2.2.1 地形地貌三維模型

為了將地形的高低起伏狀態(tài)真實(shí)地模擬出來(lái)，通常是利用基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)，如帶有高程值的數(shù)字線(xiàn)劃圖，建立地面高程模型（DEM），再根據(jù)具體的制作要求作成不同的高程模型。一般情況下，正射影像（DOM）的數(shù)據(jù)可通過(guò)一些影像的數(shù)據(jù)分析得到，這些影像具有不同的分辨率，主要影像有遙感影像、高分辨率的航空影像、低空攝影及近景攝影等?？梢愿鶕?jù)要求選擇不同的影像數(shù)據(jù)，再根據(jù)統(tǒng)一的空間參考系，將正射影像疊加到地面高程模型上，這樣就得到了一個(gè)真實(shí)反映地形地貌的三維模型。

2.2.2 現(xiàn)狀建構(gòu)筑物三維模型

作為三維模型中的重要組成部分，現(xiàn)狀建構(gòu)筑物主要由兩部分構(gòu)成：一類(lèi)是房屋，道路，人行天橋，橋梁，隧道，堤壩，公園，綠地，樹(shù)木等地物要素；另一類(lèi)是路燈，消防栓，井蓋，公交車(chē)站等城市附屬設(shè)施?，F(xiàn)狀建構(gòu)筑物模型制作時(shí)耗費(fèi)的工作量大、周期長(zhǎng)，因此，在制作模型前應(yīng)先根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇，制作出不同的模型。而對(duì)于一些對(duì)精度要求標(biāo)準(zhǔn)較低的規(guī)則形狀建構(gòu)筑物，可采用大批量機(jī)器建模生產(chǎn)的方法，如果建構(gòu)筑物頂端紋理較為復(fù)雜，可以使用高分辨的影像，進(jìn)行貼圖處理。

2.3規(guī)劃設(shè)計(jì)三維模型

三維模型的規(guī)劃設(shè)計(jì)主要是用來(lái)滿(mǎn)足城鄉(xiāng)規(guī)劃管理的需要，規(guī)劃設(shè)計(jì)師在三維軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)必須與現(xiàn)狀三維模型融為一體，并根據(jù)現(xiàn)狀三維模型的真實(shí)環(huán)境對(duì)具體模型進(jìn)行修改、調(diào)整、替換，或在三維仿真系統(tǒng)上重新生成新模型，包括設(shè)計(jì)和定義位置、朝向、形狀、高度、外部色調(diào)和紋理等，這些修改調(diào)整都需要在統(tǒng)一的空間參考系中按照比例進(jìn)行。

3 三維數(shù)字城市模型的建模方法

三維城市模型的主要任務(wù)是先對(duì)城市的三維環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，然后進(jìn)行可視化處理，同時(shí)，能夠提供相應(yīng)的操作與分析功能。目前，城市三維景觀的構(gòu)建有許多方法，具有代表性以及比較常用的有以下一些類(lèi)型：

1）基于單純形的3DGIS數(shù)據(jù)模型物和虛擬城市景觀模型重建法?？梢詫⒊鞘械膶?shí)體模型按照維數(shù)劃分為0維、1維、2維、3維四類(lèi)，相應(yīng)地用0、1、2、3的單純形來(lái)對(duì)應(yīng)表示構(gòu)建。同時(shí)，將地形作為城市各種建筑物的承載體，用TIN來(lái)表示，稱(chēng)作2.5維，用2DGIS矢量線(xiàn)劃數(shù)據(jù)來(lái)確定建筑物的平面位置，屬性高度、建筑物的側(cè)面紋理由數(shù)字相機(jī)獲取，頂 部 紋 理 由 航 空 遙 感 數(shù) 據(jù) 獲 得，生 成 景 觀模型；

2）基于航空影像生成城市三維城市景觀。將建筑物按照外形特征分成平屋頂房屋、"人"字型屋頂房屋和復(fù)雜房屋，并分別采用不同幾何數(shù)據(jù)模型進(jìn)行構(gòu)建；

3）TIN表達(dá)地形法，是用BP、CSG表達(dá)以點(diǎn)、線(xiàn)、面、體形式存在的空間實(shí)體城市三維GIS數(shù)據(jù)模型，并在立體空間中逐層引入空間信息，同時(shí)，為每個(gè)對(duì)象建立屬性特征和空間關(guān)系；

4 三維建模技術(shù)應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展

4.1 三維建模技術(shù)應(yīng)用

4.1.1 用于城市規(guī)劃

對(duì)城市的未來(lái)形態(tài)進(jìn)行預(yù)演，消失的城市形態(tài)也可以重新模擬出來(lái)，并根據(jù)規(guī)劃成果隨時(shí)進(jìn)行修改，從而獲得城市規(guī)劃方案調(diào)整的科學(xué)依據(jù)，使城市規(guī)劃更具前瞻性。

4.1.2 用于城市管理

三維建模技術(shù)可以完成城市災(zāi)害事件和突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)城市各類(lèi)信息的可視化查詢(xún)，為政府對(duì)城市的管理和服務(wù)提供決策。

4.2 三維建模技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向

由于城市三維景觀主要是人工建筑物，因此，三維建筑物信息的獲取與建模一直是城市建模的主要內(nèi)容。近年來(lái)，一些新的建筑物三維重建方法陸續(xù)被提出來(lái)，其主要發(fā)展方向有以下三個(gè)方面：

1）數(shù)據(jù)的多元化、多線(xiàn)索和多信息的引入及融合；

2）提取過(guò)程中知識(shí)的運(yùn)用滲透到從低級(jí)到高級(jí)處理的各個(gè)層次，在識(shí)別匹配推理過(guò)程中引入較多的人工智能理論與方法；

3）建筑物模型的多樣化，如參數(shù)模型、棱柱模型、多面體模型以及構(gòu)造實(shí)體幾何模型（CSG）等，提取策略逐漸由單純的模型驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向二者混合運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

城市現(xiàn)代化建設(shè)是城市信息化建設(shè)的主體，在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、市場(chǎng)化、國(guó)際化、信息化的大背景下，數(shù)字城市是未來(lái)城市建設(shè)的發(fā)展方向。三維城市模型是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，給城市建設(shè)帶來(lái)了數(shù)字化的思維及設(shè)計(jì)方式，更為城市的規(guī)劃和管理提供方便、直觀、可行的平臺(tái)。隨著科技的發(fā)展，三維數(shù)字技術(shù)發(fā)展會(huì)越來(lái)越快，其作用也將越來(lái)越大，有著良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]陳良超，向澤君，謝征海.三維模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2009

（作者身份證號(hào)：320924198503145270）