基于MapGIS、BIM和SketchUp平臺的三維數(shù)字城市精細(xì)建模與實現(xiàn)

吳紅波，賈欣，王慎

(1.陜西理工大學(xué)地理科學(xué)系，陜西 漢中　723000；　2.西北大學(xué)陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西 西安　710127；3.河北槐隆建筑工程有限公司，河北 邢臺　055450)

1　引　言

三維數(shù)字城市建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及眾多領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)，需要融合地表、地上和地下地物，及其復(fù)雜的建筑物形體與空間關(guān)系[1]，可實現(xiàn)城市人流、物流、環(huán)境保護(hù)、電力、交通、城建、土地資源等有效管理，達(dá)到城市資源的合理配置與優(yōu)化目的。1990年以來，各國相繼提出以三維地理信息系統(tǒng)(Three-dimensional Geographic Information System，3D GIS)為基礎(chǔ)的數(shù)字城市[2]、智慧城市[3]、海綿城市平臺建設(shè)[4，5]，促使CityMaker[6]、Esri CityEngine[7]、MapGIS、SuperMap iSpace、GeoGlobe、Skyline Globe、OpenGL、草圖大師等軟件已成為數(shù)字城市三維建模的重要工具。目前，GIS(Geographic Information System)技術(shù)在作業(yè)范圍、重復(fù)采集頻率與精度、后處理智能化、GIS與大數(shù)據(jù)的融合、室內(nèi)定位測量、3D GIS平臺集成的優(yōu)勢，不僅增強(qiáng)城市三維構(gòu)筑物可視化，也為智慧城市設(shè)計提供技術(shù)支撐[8]。另外，3D GIS數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系和空間分析方法等不斷的更新發(fā)展，正在逐步滿足“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的智慧城市建設(shè)需求[9]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、激光雷達(dá)、無人機(jī)、BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的方興未艾[10]，國內(nèi)外眾多GIS商業(yè)軟件，如ArcGIS、MapGIS、MapInfo MapGIS，GeoStar、SuperMap和Citystar，正在借助Python、Java、C#、C++等開發(fā)環(huán)境或第三方插件，增強(qiáng)GIS平臺在地理空間數(shù)據(jù)輸入、存儲、查詢、分析和顯示、制圖和三維分析功能的兼容性和可移植性，提升專業(yè)領(lǐng)域的地理信息技術(shù)應(yīng)用水平。由武漢中地數(shù)碼集團(tuán)開發(fā)的一套完全具有自主知識版權(quán)的MapGIS 10軟件，提供了豐富的數(shù)據(jù)處理、空間分析、三維、遙感圖像處理、Web GIS等功能和二次開發(fā)接口[11]。既能實現(xiàn)三維景觀模型的快速渲染和可視化分析，也能實現(xiàn)批量建模和精細(xì)建模，但在構(gòu)筑物三維精細(xì)建模上，需將GIS和BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型進(jìn)行集成使用[12]。而且，MapGIS軟件在海量空間數(shù)據(jù)管理上，可滿足大規(guī)模城市建設(shè)數(shù)字化的需求[13]。因此，文中根據(jù)三維數(shù)字城市平臺設(shè)計框架，以陜西省漢中市主城區(qū)為例，采用MapGIS、BIM和SketchUp三維建模軟件對城市主要構(gòu)筑物進(jìn)行精細(xì)建模。針對精細(xì)和批量建模過程中的不足，提出合理化解決方案，并為智慧城市背景下的三維城市精細(xì)建模提供技術(shù)支持，提高城市規(guī)劃、建設(shè)、服務(wù)與管理水平。

2　三維數(shù)字城市的設(shè)計框架

三維數(shù)字城市平臺的可視化分析、空間分析功能、海量數(shù)據(jù)管理是研究中擬解決的關(guān)鍵問題[14]。因此，本研究從空間實體、數(shù)據(jù)組織與管理、空間分析與表達(dá)、專題應(yīng)用四個層面，考慮三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺的設(shè)計框架，如圖1所示。

圖1　三維數(shù)字城市平臺的設(shè)計框架

3　空間實體與數(shù)據(jù)組織

(1)底圖制作：城市居民建筑、公共設(shè)施、水體和道路的空間實體屬性以及建筑物CAD底圖數(shù)據(jù)等。

(2)空間實體矢量化與建庫：建立點、線、面矢量要素集，從CAD平面圖中繪制水體、道路、綠化帶、城市建筑、住宅區(qū)等矢量圖層，如圖2所示。

(3)城市GPS控制網(wǎng)：采用厘米級差分GPS采集儀獲取城市建筑設(shè)施的控制點地理坐標(biāo)，完成CAD底圖建筑界限與實體空間地理位置配準(zhǔn)。

圖2　漢中市主城區(qū)矢量化地圖

(4)實體屬性數(shù)據(jù)庫：包括城市各級道路的寬度、城市建筑的樓高、建筑面積和容積數(shù)據(jù)，城市綠地面積、綠化植被高度和空間分布等。

(5)符號庫和實景照片：點、線、面符號庫以及顏色庫，在MapGIS系統(tǒng)中以．lib文件保存在MapGIS地理數(shù)據(jù)庫。

4　三維模型建立與實現(xiàn)

4.1　精細(xì)建模

為克服紋理、三維數(shù)據(jù)以及空間關(guān)系表達(dá)的缺失[15]，構(gòu)筑物三維模型真實感少，周圍場景信息表達(dá)不足[16]，在空間實體三維精細(xì)模型表達(dá)上，采用點、線狀、面狀和體要素[17]。學(xué)校、商業(yè)、居民建筑物BIM模型包括構(gòu)筑物外觀、室內(nèi)空間的詳細(xì)參數(shù)，采用CityGML模型實現(xiàn)在BIM建筑軟件Revit和MapGIS數(shù)據(jù)交互輸入、輸出與表面紋理映射[18]。綜合BIM和GIS，首先對同類建筑物進(jìn)行建模，然后把建筑物空間信息與周圍環(huán)境共享，應(yīng)用到城市三維GIS平臺中，相同類型構(gòu)筑物表面三維精細(xì)建模流程，如圖3所示。

圖3　基于BIM和MapGIS的精細(xì)建模流程

根據(jù)城市建筑類型和場景空間環(huán)境，單一建筑物精細(xì)建模過程：首先，采集建筑物的外形實景，確定建筑物頂層、窗沿寬度、玻璃厚度、墻體表面瓷磚尺寸及顏色，并依據(jù)建筑物構(gòu)件表面色彩與尺寸大小進(jìn)行區(qū)分。其次，對道路路面、水泥地面、路燈及綠化帶等表面紋理、空間布局進(jìn)行細(xì)化建模，呈現(xiàn)真實場景。再次，將BIM建筑模型導(dǎo)入MapGIS數(shù)據(jù)庫線、面要素圖層中，生成體要素圖層。然后，參考構(gòu)筑物實景圖片，進(jìn)行構(gòu)筑物室外表面精細(xì)貼圖處理，如圖4所示。最后，根據(jù)單一建筑物的復(fù)雜程度、景觀圖層瓦片大小和范圍，以分塊形式存儲在三維GIS數(shù)據(jù)庫，海量建筑三維模型的組織、語義構(gòu)建和引擎管理均能適應(yīng)BIM和SketchUp文件管理系統(tǒng)[19]。

圖4構(gòu)筑物三維精細(xì)建模效果圖

4.2　批量建模

針對同類型建筑和室外場景模型，采用批量建模方法突出構(gòu)筑物三維全局圖。首先，規(guī)則的空間實體的幾何形體、表面紋理以及高程屬性進(jìn)行參數(shù)化，參數(shù)化修改引擎技術(shù)，使建筑物構(gòu)件的尺寸、刪除或者移動操作關(guān)聯(lián)。其次，參照構(gòu)筑物實景數(shù)碼照片，在符號庫中編輯紋理、尺寸和色調(diào)，保證圖元的一致性，生成真實感場景建筑物模型。再次，對于幾何形體和表面紋理復(fù)雜的建筑物，構(gòu)筑物的多邊形線段不能有斷點，生成模型質(zhì)量進(jìn)行檢查和控制。最后，在BIM和SketchUp軟件生成的構(gòu)筑物紋理、幾何結(jié)構(gòu)、色調(diào)、光照等模型，導(dǎo)出Grid格網(wǎng)數(shù)據(jù)，以瓦片方式存儲在MapGIS地理數(shù)據(jù)庫。

為保證真實場景的還原和保真度，漢中市主城區(qū)城市建筑三維模型共使用154種構(gòu)件模型。場景底圖、河流面要素生成水平面，設(shè)置適當(dāng)高程偏移量；河岸、臺階邊界線要素生成豎直面，設(shè)置適當(dāng)高程偏移量，使場景布局無縫銜接。綠化喬木、路燈采用點狀要素，選擇樣式庫的三維預(yù)設(shè)模型進(jìn)行批量渲染，如圖5所示。

圖5道路、建筑物、城市綠地、喬木批量建模效果圖

4.3　三維模型與實景的集成

為避免點、線面要素、注記以及顏色渲染信息在文件轉(zhuǎn)化過程中缺失，需在轉(zhuǎn)化之前將MapGIS 10平臺下使用的符號庫遷移到SketchUp對應(yīng)的圖層，進(jìn)行底圖渲染。利用三維數(shù)字城市平臺中樹木、道路、建筑紋理、帶高度的修飾物模型，根據(jù)構(gòu)筑物實際場景對三維坐標(biāo)(x，y，z)、長度、高程、紋理等進(jìn)行修改，并創(chuàng)建要素類結(jié)構(gòu)屬性[11]，如圖6所示。

為突出建筑物三維全局場景和周邊環(huán)境的真實效果，將含有地理坐標(biāo)系的全景圖像存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫中，實景圖片和空間實體數(shù)據(jù)分開存儲，用中間鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)[20]，使三維場景與用戶地理位置一一對應(yīng)，如圖7所示。此外，用戶也可根據(jù)場景需求，手動添加構(gòu)筑物地理坐標(biāo)、屬性名，查詢目標(biāo)，生產(chǎn)建筑物全局或者局部場景。

圖6陜西理工大學(xué)南校區(qū)東門和三維效果圖

圖7　漢中市主城區(qū)實景三維模型圖

5　三維數(shù)字城市平臺的功能

基于MapGIS 10、BIM、SketchUp集成建立的三維數(shù)字城市漫游及交互平臺，不僅具有查詢統(tǒng)計、通視分析、空間分析、日照分析、室內(nèi)漫游等功能[21]，也能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物指定顯示、BIM坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、BIM與其他空間數(shù)據(jù)的位置匹配、二次開發(fā)應(yīng)用。三維數(shù)字城市平臺的主要功能：

(1)Web Online交互瀏覽：基于JavaScript實現(xiàn)三維數(shù)字城市系統(tǒng)界面、Web瀏覽(全圖、放大、縮小、平移)功能、建筑物可視化視圖、地圖標(biāo)注和查詢功能。

(2)定位與導(dǎo)航：用戶位置與三維場景位置匹配，對構(gòu)筑物實景的多方位觀察，且視點會隨著用戶位置的移動而移動，用戶可體會到位置感和方向感。

(3)屬性查詢：根據(jù)單一或多條件的SQL語句，查詢公共設(shè)施、道路、建筑物等空間實體屬性，查詢結(jié)果以列表顯示，可用光標(biāo)選中實體目標(biāo)并自動導(dǎo)航。

(4)三維測量：根據(jù)用戶的需求訂制，量測建筑物空間距離、住宅間距、方位、地塊面積、建筑面積等信息。當(dāng)建筑物過于密集、建筑超高時，三維測量功能為樓盤面積、間距的設(shè)計提供合理的數(shù)據(jù)，顯示優(yōu)化結(jié)果。

(5)三維空間分析與可視：支持洪水淹沒分析、日照分析、地形剖切、表面積和距離量算、坡向分析、可視分析功能，如圖8所示。利用粒子系統(tǒng)模擬噴泉、煙花、降雨、爆炸、噪聲等動態(tài)顯示效果，錄制場景漫游視頻。用戶可從多角度、多方位瀏覽建筑物三維剖面、側(cè)視圖、景觀效果。

(6)標(biāo)注與幫助功能：根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，用戶手動標(biāo)注地物信息，增強(qiáng)了軟件的用戶與系統(tǒng)交互功能，及時更新構(gòu)筑物和地表信息。

(7)云端共享能力：支持天地圖、百度、Bing、Google等數(shù)據(jù)交互訪問與調(diào)用，提高數(shù)據(jù)使用效率，降低制圖成本。用戶可利用云端數(shù)據(jù)中心將成果數(shù)據(jù)發(fā)布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖8MapGIS三維數(shù)字城市平臺功能展示

6　結(jié)　論

本研究借助MapGIS、BIM和SketchUp三維建模工具，實現(xiàn)三維數(shù)字城市精細(xì)建模與批量建模，將漢中主城區(qū)實景與建筑三維場景模型無縫結(jié)合，為三維數(shù)字城市平臺建設(shè)提供了技術(shù)參考與支持。由于MapGIS 10平臺難以生成復(fù)雜城市建筑的三維模型，需借助BIM和SketchUp專業(yè)軟件實現(xiàn)建筑物三維模型的精細(xì)表達(dá)，而且構(gòu)筑物紋理、幾何結(jié)構(gòu)、色調(diào)、光照等模型，具有較好的可移植性和兼容性。在下一步研究中，將基于MapGIS平臺三維建?；A(chǔ)上，增加室外場景向室內(nèi)場景延伸，城市地上構(gòu)筑物向地下構(gòu)筑物延伸，如城市管網(wǎng)、暗渠、地鐵通道等。此外，結(jié)合大數(shù)據(jù)融合、虛擬可視化、激光掃描、攝影測量等技術(shù)，增強(qiáng)用戶界面對場景進(jìn)行漫游的可讀性、可視化和交互時效，為MapGIS三維地理數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)管理、可視化分析提供技術(shù)參考。