岷江沿岸城鎮(zhèn)三維地理環(huán)境重建

王海軍，戴聲佩，黃孝斌

（1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007；2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210023）

岷江沿岸城鎮(zhèn)三維地理環(huán)境重建

王海軍1，戴聲佩2，黃孝斌1

（1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007；2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，江蘇 南京 210023）

虛擬地理環(huán)境（VGE）的概念、結(jié)構(gòu)、框架經(jīng)過(guò)發(fā)展逐漸走向成熟，而在實(shí)踐層面缺乏成熟的技術(shù)方案和規(guī)模性應(yīng)用。從城市地理學(xué)的視角，將VGE的理論框架引入數(shù)字城市、智慧城市領(lǐng)域；結(jié)合3S與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新進(jìn)展，重構(gòu)城市三維地理環(huán)境。選取樂(lè)山市作為研究區(qū)，將城市地理環(huán)境的重構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)層、模型層、表達(dá)層3個(gè)層面。首先基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行城市地理實(shí)體識(shí)別，將地理實(shí)體抽象為點(diǎn)、線、面要素，作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)源；再通過(guò)可視化建模工具（City-Engine2014、Sketch Up8）對(duì)地理實(shí)體、地理過(guò)程進(jìn)行建模，獲取其三維模型；最后利用Lumion 3D平臺(tái)將地理實(shí)體三維模型進(jìn)行整合、渲染，還原與重構(gòu)城市中靜態(tài)地理實(shí)體和動(dòng)態(tài)地理過(guò)程的本征，為國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃與管理、城市信息化建設(shè)提供真實(shí)、便捷的技術(shù)支持。

VGE；岷江沿岸地區(qū)；三維建模；虛擬現(xiàn)實(shí)；3S技術(shù)

隨著數(shù)字城市、智慧城市思想的提出并付諸實(shí)施，構(gòu)建面向全國(guó)的虛擬城市地理環(huán)境已經(jīng)成為國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃與管理、城市信息化建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求。我國(guó)學(xué)者對(duì)于VGE的研究起步較晚，主要是從不同視角對(duì)VGE的理論內(nèi)涵作闡述分析，探討VGE的概念。例如，林琿[1-3]等認(rèn)為VGE旨在通過(guò)集成虛擬環(huán)境和地理學(xué)研究現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境及賽博空間的現(xiàn)象與規(guī)律；龔建華[4]等從虛擬地理環(huán)境形成發(fā)展與研究現(xiàn)狀，以及“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”與“虛擬現(xiàn)實(shí)”的相互關(guān)系，探討了VGE基本概念；閭國(guó)年[5]從現(xiàn)代地理學(xué)研究與發(fā)展前沿需求出發(fā)，探討了可支撐地理分析與模擬的虛擬地理環(huán)境的框架、結(jié)構(gòu)與功能，并將虛擬地理環(huán)境分為數(shù)據(jù)環(huán)境、建模環(huán)境、表達(dá)環(huán)境與協(xié)同環(huán)境4個(gè)子環(huán)境。國(guó)外對(duì)于VGE的研究情況：Mac Eachren[6-7]等從地理可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、協(xié)同群體決策、地理信息系統(tǒng)等角度，提出了協(xié)同式地學(xué)虛擬環(huán)境；Batty等則研究了虛擬環(huán)境下的城市建模及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，開(kāi)展“虛擬倫敦”的建設(shè)，發(fā)展了“虛擬地理學(xué)”的概念[8-11]。從最近國(guó)內(nèi)外有關(guān)VGE的研究進(jìn)展看，國(guó)內(nèi)發(fā)展較為滯后，尤其在其規(guī)模應(yīng)用方面，主要還停留在實(shí)驗(yàn)室、科研所的理論層面，而部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于該領(lǐng)域的研究已逐步走向了社會(huì)應(yīng)用。因此VGE重構(gòu)在各領(lǐng)域應(yīng)用將成為我國(guó)目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，VGE的方案設(shè)計(jì)和執(zhí)行尤為重要。

1 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)方案

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于岷江中游樂(lè)山市，選取的區(qū)域?yàn)榧沃菪鲁牵瑬|西跨度為3．5 km，南北跨度為2 km。嘉州新城是城市規(guī)劃與建設(shè)的重點(diǎn)，在城市規(guī)劃過(guò)程中，城市的功能、布局、交通、外觀與周?chē)h(huán)境的配合十分重要。利用VGE方法可將規(guī)劃方案直觀地展示出來(lái)，并能進(jìn)行局部修改、實(shí)時(shí)交互，既能縮短城市規(guī)劃的時(shí)間，又能對(duì)各方案的價(jià)值作比較準(zhǔn)確的評(píng)估，達(dá)到輔助決策的目的。嘉州新城具有典型居民建筑、道路等，且由于該地區(qū)緊鄰岷江、大渡河、青衣江的丘陵地貌，所以地貌特征十分明顯，市區(qū)內(nèi)分布河流和湖泊較多，城市綠植被覆蓋度較高。

1.2 技術(shù)方案與數(shù)據(jù)獲取

通過(guò)對(duì)嘉州新城地理實(shí)體基本要素的信息采集，獲取地理實(shí)體的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（點(diǎn)、線、建筑面和地形曲面）。由于該地區(qū)地理跨度較小，現(xiàn)有的30 m DEM數(shù)據(jù)無(wú)法體現(xiàn)地形的細(xì)節(jié)信息，所以采用Google Earth上的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合部分RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立3 m DEM。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的建模處理，重構(gòu)地理實(shí)體的三維特征，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還原地理環(huán)境的三維空間信息。本文需要重構(gòu)的地理實(shí)體包括：居民區(qū)（建筑、道路）、植被（草地、林地）、地形（高地、洼地）、水體（湖泊、河流）和天氣系統(tǒng)（光照、云、風(fēng)）等；需要的原始數(shù)據(jù)包括：遙感影像（3 m多光譜數(shù)據(jù)），地面高程點(diǎn)云（4 300個(gè)/km2），建筑、植被的紋理信息和氣候（太陽(yáng)高度角、云層厚度、風(fēng)向與風(fēng)力）數(shù)據(jù)。方案實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)主要有遙感影像目視識(shí)別、點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間插值、建筑三維場(chǎng)景建模、植被景觀建模和虛擬現(xiàn)實(shí)。理論框架與技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 理論框架與技術(shù)方案

2 城市地理環(huán)境重構(gòu)

2.1 地理實(shí)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

高分辨率遙感圖像提取地理實(shí)體圖斑具有高效、高精度的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)測(cè)繪手段獲取的數(shù)據(jù)相比，極大提高了數(shù)據(jù)獲取的效率。研究區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)高分辨率遙感圖像進(jìn)行目視提取，共計(jì)提取建筑、廣場(chǎng)圖斑450個(gè)，城市主干路6條、巷路10 條，湖泊圖斑1個(gè)，島嶼圖斑1個(gè)，山地圖斑20個(gè)。采集面狀地理實(shí)體時(shí)，首先要采集目標(biāo)物的輪廓（邊界）線和道路的幾何中心線，其中形狀規(guī)則的地理實(shí)體采集較為容易，部分地理實(shí)體的邊線為非規(guī)則幾何形狀，如湖泊、島嶼，在采集時(shí)可利用貝茲曲線來(lái)擬合地物的邊線。數(shù)據(jù)采集時(shí)采用分層顯示，地理數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。采集地理實(shí)體邊線數(shù)據(jù)后，需進(jìn)行地理拓?fù)洳殄e(cuò)和修改，再拓?fù)涑擅鏍顖D斑。道路采集時(shí)，不同等級(jí)道路只采集中心線即可，后期通過(guò)設(shè)定道路寬度創(chuàng)建緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)道路面，研究區(qū)部分地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖2所示。

2.2 地理實(shí)體三維建模

在城市地理環(huán)境重構(gòu)時(shí)，三維建模是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。城市地理環(huán)境建模意在還原城市的三維空間環(huán)境，并非設(shè)計(jì)和建造景觀，因此具有較大尺度和規(guī)模特性，在構(gòu)建模型時(shí)能表現(xiàn)城市現(xiàn)有的建筑、道路、綠化、河流本來(lái)特征狀態(tài)即可，無(wú)需進(jìn)行過(guò)多美化修飾，以免改變?cè)械乩韺?shí)體的特征[12]。目前主流城市三維建模工具較多，如3D Max、Sketch Up、City Engine等。根據(jù)研究區(qū)地理實(shí)體的特點(diǎn)，本文采用Sketch Up結(jié)合City Engine來(lái)完成三維建模過(guò)程。二者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)在于City Engine可對(duì)簡(jiǎn)單建筑的高度、寬度和形狀設(shè)定CGA規(guī)則批量處理來(lái)完成簡(jiǎn)單模型的建模，Sketch Up可對(duì)較為復(fù)雜的建筑進(jìn)行建模處理。由于該區(qū)域地表植被豐富，因此對(duì)于樹(shù)木建模也是一個(gè)重要工作，本文采用Speed Tree來(lái)創(chuàng)建特殊樹(shù)木的模型，而其他常見(jiàn)樹(shù)木模型則采用模型庫(kù)自帶模型。

圖2 研究區(qū)地理實(shí)體圖斑

2.2.1 建筑建模

對(duì)于建筑、山體、道路、公共場(chǎng)地等地理實(shí)體建模，主要將其分成3種類型：山地（地形）、簡(jiǎn)單建筑和復(fù)雜建筑。對(duì)于山地、洼地等和地形有直接關(guān)系的地理實(shí)體，在建模時(shí)利用DEM拉伸方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，后期可通過(guò)Lumion 3D進(jìn)行渲染，模擬真實(shí)山地和洼地的效果；對(duì)于簡(jiǎn)單建筑可利用City Engine工具進(jìn)行批量建模；對(duì)于復(fù)雜建筑，本文在Sketch Up中利用建筑物的多視角照片匹配建模。部分建筑地理實(shí)體建模后如圖3所示。

圖3 復(fù)雜建筑Sketch Up三維建模

2.2.2 地形建模

VGE中地形是載體，在城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中，地形建模的目的不單是為了還原城市三維結(jié)構(gòu)，地形要素也是城市建筑與生命體的一種交互通道。目前國(guó)內(nèi)城市地理建模覆蓋了39個(gè)城市，但在地形建模上還是采用的貼圖，不支持旋轉(zhuǎn)功能，沒(méi)有真正意義上增加地形數(shù)據(jù)，這從側(cè)面可以說(shuō)明在城市地理環(huán)境重構(gòu)方面，地形建模難度巨大。研究區(qū)總面積約為7 km2，若直接采用NASA發(fā)布的全球30 m DEM數(shù)據(jù)來(lái)擬合地形，則無(wú)法體現(xiàn)該區(qū)域的地表特征，因此本文根據(jù)研究區(qū)30 m DEM，結(jié)合Google Earth進(jìn)行高程點(diǎn)提取，共計(jì)提取30 000個(gè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)該區(qū)域的實(shí)地勘查，利用RTK獲取典型地物特征點(diǎn)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后利用數(shù)學(xué)模型對(duì)30 000個(gè)高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，重新構(gòu)建該區(qū)域的TIN，獲取該區(qū)域3 m的DEM，這樣得到的地形能夠滿足構(gòu)建該區(qū)域地理環(huán)境的需求。谷地、山體建模主要通過(guò)DEM數(shù)據(jù)上的高程信息獲取山頂?shù)缴降氐母叱滩?，利用Lumion 3D構(gòu)建山地地形。

2.2.3 樹(shù)木與湖泊河流建模

城市綠化中的樹(shù)木、花草是城市地理環(huán)境中重要的組成部分。樹(shù)木建模是三維建模的難點(diǎn)，因?yàn)橹参锉旧斫Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，物種、群落以及環(huán)境因素對(duì)其影響導(dǎo)致其特征復(fù)雜多變，如一棵樹(shù)有幾千片甚至幾萬(wàn)片樹(shù)葉，且葉子存在差異，將一棵樹(shù)做成一個(gè)模型樹(shù)的計(jì)算量十分巨大[13]。而一座城市有多種樹(shù)木類型、每種又有成千上萬(wàn)棵，對(duì)一般的PC機(jī)CPU計(jì)算載荷過(guò)高。因此，植物建模就必須根據(jù)場(chǎng)景需要，采取不同的建模和表達(dá)方式。本文樹(shù)木建模采用的是Speed Tree平臺(tái)，由美國(guó)IDV公司研發(fā)?？蓪?shù)葉插入軟件中，根據(jù)樹(shù)形創(chuàng)建需要的三維樹(shù)木，建模速度快，效果逼真，且可加載風(fēng)力，形成隨風(fēng)擺動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果。由于本文研究區(qū)較小且樹(shù)木品種較少，因此大部分樹(shù)的模型可采用模型庫(kù)自帶樹(shù)，特別樹(shù)種（如小葉樟樹(shù)）利用Speed Tree進(jìn)行建模獲取。

在城市地理環(huán)境中，水體（湖泊、河流）是重要的組成部分，往往占據(jù)整個(gè)城市地理環(huán)境場(chǎng)景的一定面積。本文對(duì)河流和湖泊的建模方式是利用DEM的高程數(shù)據(jù)，創(chuàng)建河流谷底、湖泊谷底、山體坡向坡面模型，根據(jù)該地區(qū)的河流、湖泊水深設(shè)置水面高度對(duì)DEM模型谷底和河谷進(jìn)行浸潤(rùn)處理，從而實(shí)現(xiàn)河流和湖泊的建模，如圖4所示。

圖4 湖泊與島嶼建模效果

2.3 地理實(shí)體三維表達(dá)

城市地理實(shí)體模型、地理過(guò)程（河流流動(dòng)、天氣變化）表達(dá)的重構(gòu)是地理環(huán)境的重要環(huán)節(jié)，目前對(duì)于VGE的表達(dá)平臺(tái)主要有Multi Gen Creator/Vega、Open Scene Graph、Unity 3D、Skyline和 Lumion 3D[14-15]。Multi Gen Creator和Open Scene Graph可以滿足城市地理環(huán)境的表達(dá)，但基于城市規(guī)劃、測(cè)繪學(xué)、地理學(xué)背景的工作人員在平臺(tái)使用上存在巨大限制，因?yàn)橐陨蟽煞N平臺(tái)要求使用者具有較強(qiáng)計(jì)算機(jī)代碼編寫(xiě)能力，因此本文選用Lumion 3D平臺(tái)，該平臺(tái)具有零開(kāi)發(fā)的特性，同時(shí)能夠滿足所有地理實(shí)體與地理過(guò)程的表達(dá)。Lumion 3D采用的是GPU高聚光器渲染技術(shù)，與CPU相比其浮點(diǎn)運(yùn)算能力具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此采用Lumion 3D虛擬城市地理環(huán)境的渲染方法大大提高了自然場(chǎng)景實(shí)時(shí)繪制速率。將建筑、道路、河流、樹(shù)木、島嶼完成建模后的所有模型通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入Lumion 3D系統(tǒng)中，渲染建筑紋理、地面植被、河流湖泊表面、云層與日照等地理空間信息，重構(gòu)城市地理環(huán)境。

2.3.1 天氣系統(tǒng)表達(dá)

一般在城市建模時(shí)，天氣系統(tǒng)經(jīng)常被忽略，使得最后展現(xiàn)的效果無(wú)法表達(dá)城市地理環(huán)境的天氣系統(tǒng)。本文通過(guò)影像獲取的時(shí)間以及樂(lè)山地區(qū)在該時(shí)期的太陽(yáng)高度角、風(fēng)向、云層厚度等天氣參數(shù)，來(lái)重構(gòu)地理環(huán)境中的天氣系統(tǒng)。遙感影像獲取時(shí)間為2014-08- 06，天氣晴，根據(jù)樂(lè)山地區(qū)的氣候分區(qū)與特點(diǎn)，獲取該區(qū)的太陽(yáng)高度角為87°、云層以塊云為主、方向?yàn)闁|南微風(fēng)。

2.3.2 建筑、地磚紋理渲染

城市地理環(huán)境中主要的地理實(shí)體就是建筑和人工的地表鋪設(shè)，因此在建模和場(chǎng)景渲染時(shí)，主要任務(wù)是完成建筑模型、道路和地磚紋理的渲染。由于道路和地磚的紋理種類較少且厚度為零，表面紋理通過(guò)貼上材質(zhì)的方式，難度不大。但是建筑物的紋理特征較為復(fù)雜，外部建模時(shí)可通過(guò)貼圖和投影來(lái)體現(xiàn)模型外部材質(zhì)，但是導(dǎo)入Lumion 3D平臺(tái)后容易出現(xiàn)材質(zhì)脫落和材質(zhì)不理想的情況，所以部分外部模型導(dǎo)入Lumion 3D后的材質(zhì)需要重新修改和渲染（圖5）。

2.3.3 河流、湖泊、植被紋理渲染

在場(chǎng)景建模時(shí)，水體表達(dá)的好壞對(duì)于工程效果圖、城市三維漫游都十分關(guān)鍵，決定最后成敗。城市中水體的存在是多樣化的，如湖面較為平靜、河流表面要有流動(dòng)波紋，因此對(duì)于城市水體的表達(dá)具有一定難度。早期在水體建模時(shí)，水面的表達(dá)方式主要采用拍照貼圖，或采用與水體近似的材質(zhì)進(jìn)行貼圖，因此表達(dá)的僅是靜態(tài)的效果；而動(dòng)態(tài)的水體模擬，如風(fēng)吹水面波光粼粼，就需要噪波系統(tǒng)、粒子系統(tǒng)和重力系統(tǒng)[16]。Lumion 3D 平臺(tái)提供的渲染環(huán)境，為水面的模擬帶來(lái)極大的便利，通過(guò)外部導(dǎo)入的DEM地形和湖泊的邊界線，設(shè)置湖水的高度和風(fēng)向即可獲取動(dòng)態(tài)的水體表面效果，效果與真實(shí)地理環(huán)境中水體十分接近，能夠體現(xiàn)城市中水體的特征。對(duì)于城市中的綠地可以通過(guò)Lumion 3D平臺(tái)的材質(zhì)庫(kù)進(jìn)行獲取，但是為了表現(xiàn)與真實(shí)的城市地理環(huán)境相近的效果，特殊的樹(shù)木品種需要通過(guò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文采用Speed Tree建模來(lái)獲取。樹(shù)木、草地、水體建模在Lumion 3D中渲染。

圖5 房屋建筑Lumion 3D表達(dá)后效果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在理論設(shè)計(jì)與方案執(zhí)行過(guò)程中得出以下結(jié)論：

1）將VGE引入城市地理環(huán)境是可行的，對(duì)于城市建設(shè)與管理具有一定的技術(shù)支持作用。在城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的獲取與處理十分重要，城市三維空間的還原對(duì)數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量要求高，因此在地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集中要控制誤差。

2）城市地理環(huán)境重構(gòu)過(guò)程中，三維建模是工作的重點(diǎn)，工作量較大。本文將簡(jiǎn)單建筑和復(fù)雜建筑分開(kāi)建模，且采用City Engine（CGA規(guī)則）和Sketch Up（照片匹配）建模方法，大大提高了城市建模的速度。

3）城市地理環(huán)境的難點(diǎn)主要在于地理表達(dá)層。將現(xiàn)有的三維模型有機(jī)組合匹配，且所提供的場(chǎng)景要求具有天氣系統(tǒng)、地形系統(tǒng)、水面粒子系統(tǒng)，所以難度巨大。通過(guò)分析主流的地理表達(dá)平臺(tái)，Lumion 3D可滿足以上要求。利用Lumion 3D對(duì)樂(lè)山市嘉州新城區(qū)三維地理環(huán)境進(jìn)行了重構(gòu)，效果理想。

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P208

B

1672-4623（2016）09-0056-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.018

王海軍，碩士，講師，從事遙感與GIS應(yīng)用研究。

2015-05-13。

項(xiàng)目來(lái)源：四川省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（16ZB0402）；成都理工大學(xué)學(xué)院基金資助項(xiàng)目（C122014014）；四川樂(lè)山市科技局重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目。