城市園林景觀三維建模方法研究綜述

管梓言

摘要： 三維建模技術(shù)發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，其在城市園林景觀建模中的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。本文對三維建模關(guān)鍵技術(shù)及其在應(yīng)用進行了概述，總結(jié)了城市園林景觀三維建模的幾種主要方法。

Abstract： The development of three-dimensional modeling technology has become more and more mature， and its application in urban landscape modeling has also received extensive attention. In this paper， the key technologies of 3D modeling and their applications are summarized， and several main methods of 3D modeling of urban landscape are summarized.

關(guān)鍵詞： 城市園林景觀；三維建模；虛擬現(xiàn)實

Key words： urban landscape；3D modeling；virtual reality

中圖分類號：TU986 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0285-02

0 引言

城市園林景觀三維模型主要是對城市地貌、城市建筑物、綠地、水體以及其他景觀以三維的方式呈現(xiàn)出來，進而反映城市空間、物理形態(tài)以及特定屬性等相關(guān)信息，構(gòu)建這類模型所依托的技術(shù)主要是計算機圖形技術(shù)、虛擬技術(shù)以及其他數(shù)據(jù)獲取、分析與呈現(xiàn)技術(shù)。因此，城市園林景觀三維建模要重點探討表達何種對象、需要呈現(xiàn)到什么程度以及應(yīng)當(dāng)運用何種方式進行呈現(xiàn)等問題。

1 城市園林景觀三維建模的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 三維建模關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，三維可視化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于建筑、交通與城市景觀等諸多領(lǐng)域，如德國的Rostock大學(xué)、Stuttgart大學(xué)等高共同開發(fā)了基于三維技術(shù)的數(shù)字城市模型，這些機構(gòu)劃分和描繪了城市空間的具體對象，構(gòu)建了數(shù)字城市景觀系統(tǒng)，以便于公眾查詢城市相關(guān)設(shè)施。此外，許多商用地理信息系統(tǒng)也紛紛引入三維模塊，如ArcINFO和IMAGINE等均有三維模塊，這些模塊可以在實時環(huán)境下能夠以三維飛行的方式實現(xiàn)訪問及漫游。比較典型的城市三維可視化軟件有VRMap和IMAGIS等。其中，IMAGIS可以將DOM、DEM、DLG和DRG等眾多圖形和影像作為該系統(tǒng)的處理對象，實現(xiàn)了三維可視化與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合。

1.2 三維建模技術(shù)與軟件在城市景觀中的應(yīng)用

付帥[1]比較了當(dāng)前城市三維景觀建模的各種技術(shù)優(yōu)勢與不足，如CAD系統(tǒng)、計算機立體視覺、基于遙感與數(shù)字攝影測量技術(shù)等，其研究發(fā)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)+3DS MAX軟件在城市景觀三維建模中的應(yīng)用效果最好。高山等[2]梳理了三維建?，F(xiàn)有技術(shù)及其標準，探討城市景觀三維建模中的表達、精度及其標準，以及三維模型的幾何精度和紋理分辨率檢驗的一致性標準等問題。左建章等[3]基于三維可視化技術(shù)，探討了城市景觀三維建模中存在的海量數(shù)據(jù)處理、及時呈現(xiàn)以及三維系統(tǒng)實時交換與拓展等問題，并提出了具體的解決措施與途徑。劉潔等[4]基于OBJ三維模型文件結(jié)構(gòu)，并結(jié)合城市空間信息應(yīng)用的現(xiàn)實情況，提出了更具有普適性的三維模型對象類結(jié)構(gòu)，該模型能便于抽取OBJ文件的實體信息，其提供的數(shù)據(jù)和OpenGL技術(shù)，能提升三維模型呈現(xiàn)圖形的真實感，為城市三維景觀復(fù)雜建模及其可視化呈現(xiàn)提供了良好的解決方案。

1.3 城市景觀三維模型庫的構(gòu)建

王繼周等[5]認為城市建筑物通常都有一定共性特征，對這些特征進行全面、系統(tǒng)的梳理，能夠為城市景觀三維建模提供有效支持，基于該思路設(shè)計了城市景觀三維模型庫結(jié)構(gòu)，這些模型庫有城市景觀的特征庫與紋理庫、地面覆蓋紋理庫以及獨立地物模型庫等。李武[6]綜合運用AutoCAD、3DMAX和ArcGIS等軟件，構(gòu)建了一系列城市景觀的三維場景，包括城市建筑物、周邊樹木及籃球場等，再基于這些三維場景的GIS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了城市景觀三維屬性信息的查詢，其研究驗證了ArcGIS在城市三維景觀建模中應(yīng)用的可行性與實用性。

2 幾種主要的城市園林景觀三維建模方法

2.1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維建模方法

郭軼等[7]認為當(dāng)前園林景觀領(lǐng)域的CAD軟件在城市景觀三維建模中以及虛擬現(xiàn)實的呈現(xiàn)效果方面有比較大的局限性，通常只可實現(xiàn)二維繪圖，而不能對城市動態(tài)變化的景觀進行呈現(xiàn)，因而提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于呈現(xiàn)城市三維園林景觀，運用面向?qū)ο蟮娜S建模方法開展相關(guān)建模工作，包括三維實體建模、實時虛擬呈現(xiàn)、景觀圖像的渲染與動畫制作等。萬劍華等[8]梳理了VRML應(yīng)用于虛擬校園三維景觀建模的相關(guān)技術(shù)。羅陸鋒等針[9]對大面積虛擬景觀三維建模中因為大數(shù)據(jù)量而導(dǎo)致的一系列問題，如建模工具選擇較難、模型冗余度高以及建模復(fù)雜、模型文件過大等，提出了優(yōu)化建模過程的方法，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、漫游數(shù)據(jù)設(shè)計以及系統(tǒng)集成等方面，分析了漫游系統(tǒng)的構(gòu)建流程及其體系結(jié)構(gòu)，并提出了具體的數(shù)據(jù)壓縮與轉(zhuǎn)換算法，以及實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的漫游系統(tǒng)。劉萬青等[10]基于IMAGIS平臺，以常見的地基圖數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，進行城市三維景觀的建模，以此獲得城市的虛擬現(xiàn)實景觀圖。

2.2 快速三維建模方法

陳松林等[11]對ERDAS和Sketchup軟件性能進行了系統(tǒng)的解析，提出了運用ERDAS和SketchUp軟件進行三維建模的具體流程，并著重分析了該三維建模過程中的步驟，再基于Geoye-1立體影像的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了所研究地區(qū)的三維景觀模型。其實證研究表明，應(yīng)用ERDAS和SketchUp進行三維建模，能夠有效提升建模的自動化程度及建模的效率，可以適應(yīng)各類三維建模需求，并可以很大程度上支撐ArcGIS軟件三維建模。謝衍憶等[12]則運用CityEngine規(guī)則化建模方法，對城市的重要景觀進行了快速三維重建，包括城市建筑、路面及其綠化景觀等，并以江西省贛州市為例進行了快速三維重建的實施研究。呂?？萚13]運用Google Earth軟件大批量提取了某市的空間坐標及正射影像圖數(shù)據(jù)，對該市的地形進行了三維重構(gòu)，他們運用CityPlan建模軟件，快速構(gòu)建了各類城市景觀模型，再利用數(shù)據(jù)對這些景觀模型的空間信息進行管理，運用skyline軟件進行再開發(fā)，將該城市地形與景觀的三維模型進行整合，將其用于快速建立城市軌道交通線路三維景觀。

2.3 基于地形的三維建模方法

陳芳[14]提出了一種將GIS、CAD技術(shù)與動畫技術(shù)進行有效整合的三維城市景觀建模的方法，其數(shù)據(jù)組織與分析方式采用GIS的空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的管理方式，建模技術(shù)為CAD技術(shù)，并結(jié)合動畫技術(shù)進行動態(tài)地呈現(xiàn)，該方法包含了城市景觀建模的各種要素，如地形、建筑物、地表綠地以及城市水體等，因而通過該方法構(gòu)建的模型，能夠清晰地揭示城市建筑物與地形及環(huán)境之間的關(guān)系。劉全海等[15]針對當(dāng)前城市景觀三維建模很難反映地形變化，且建模成本高但效果低下等問題，提出基于三維道路技術(shù)標準及建模流程，探索了一套能夠?qū)Τ鞘械缆窐酥疽约俺鞘懈鱾€組成部分信息進行采集和處理的三維建模預(yù)處理方法，并結(jié)合衛(wèi)星提供的城市街景影像，設(shè)計了顧及地形特征的高精度算法，進而實現(xiàn)對城市道路及景觀的三維建模。

2.4 基于衛(wèi)星遙感的三維景觀建模方法

伊丕源等[16]基于IKONOS衛(wèi)星所傳送回來的高分辨率立體像數(shù)據(jù)，運用數(shù)字攝影測量法，提取某個城市的三維信息，如生成DEM以及制作正射影像圖等，并提取了城市建筑的三維圖像信息，再綜合運用ERDAS IMAGINE和3ds Max等三維軟件工具對該城市進行三維建模，以充分發(fā)揮這些軟件的效用，完成城市建筑物建模，并運用多種技術(shù)構(gòu)建了該城市的三維虛擬景觀。伊丕源等[17]基于QuickBird衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，借助VC++6.0平臺和DirectX SDK，構(gòu)建了某市的景觀模型，該模型能夠運用可見性剔除、LOD和Mipmap等多種技術(shù)，對包含大量模型與紋理圖像的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行有效處理，進而優(yōu)化DEM和紋理圖像，提升城市景觀三維模型的可用性。張競等[18]基于CAD地形圖和遙感影像數(shù)據(jù)，運用城市建筑物的多邊、多層特征，通過生成立柱體與正射影像投影，構(gòu)建了城市景觀三維模型，并以南京市新街口為例進行實證研究，研究結(jié)果表明該方法是有效的城市景觀三維建模方式。

3 結(jié)論

本文調(diào)研了三維建模的關(guān)鍵技術(shù)及其在城市景觀三維建模中的具體應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前城市園林景觀三維建模與虛擬現(xiàn)實、GIS以及衛(wèi)星遙感等技術(shù)聯(lián)系十分緊密，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了城市園林景觀建模的幾種主要方法，包括基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三維建模方法、快速三維建模方法、基于地形的三維建模方法以及基于衛(wèi)星遙感的三維景觀建模方法等，這些三維建模方法所依托的分析軟件、數(shù)據(jù)來源、建模流程及其對城市園林景觀要素的展示都各有不同，因而能夠獲得截然不同的呈現(xiàn)效果。但總體上來看，城市園林景觀三維建模方法發(fā)展不僅要追求呈現(xiàn)效果的日益優(yōu)化，還要能夠動態(tài)展現(xiàn)城市景觀的變化，實時虛擬景觀圖像，且要解決當(dāng)前因大數(shù)據(jù)量而導(dǎo)致的一系列復(fù)雜建模問題，因而基于實時衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)、能夠虛擬現(xiàn)實以及自動化程度高的三維建模技術(shù)將是以后發(fā)展方向。

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