三維建模技術引入數(shù)字化測圖課程實踐研究

金劍 周顯平 王政通

【摘要】本文指明了將三維建模內容納入數(shù)字化測圖課程體系是適應測繪技術發(fā)展的必然趨勢，深入探討了三維建模與數(shù)字化測圖課程體系的結合關系與模式，詳細闡述了新增三維建模模塊的知識框架與知識體系，并由此建立了能夠適應目前人才市場需求的數(shù)字化測圖課程教學體系和內容。

【關鍵詞】三維建模 數(shù)字化測圖課程 教學改革

【Abstract】The paper points out that it is an inevitable trend to integrate 3D modeling content into the digital mapping course system to adapt to the development of Surveying and mapping technology. With the in-depth study of the relationship with the mode of 3D modeling and digital mapping course system，the paper elaborated the knowledge framework and system of new 3D modeling module， thus this established teaching system and content can adapt to the current market demand of digital surveying and drawing course.

【Keywords】 3D modeling； Digital Mapping Course； Teaching Reform

【中圖分類號】TP39 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）31-0230-02

隨著測繪科學技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化測圖的工作模式也發(fā)生了日新月異的變化，全站儀、GPS-RTK技術等測量儀器以其高自動化、全數(shù)字、高精度等優(yōu)勢在測圖領域得到了廣泛應用，但該作業(yè)模式提供的數(shù)字地形圖等二維專題圖件對地物表達較為抽象，認知效率較低，三維空間表達能力不強。隨著“智慧城市”工作在全國范圍內的推進發(fā)展，三維地圖正以其豐富的空間屬性、卓越的垂向表達能力和良好的實用性越來越多的代替了二維專題地圖。為了迎合技術發(fā)展，滿足行業(yè)要求，數(shù)字化測圖課程改革迫在眉睫，課程改革旨在將三維建模內容納入數(shù)字化測圖課程體系，使得測繪工程專業(yè)同學具備良好的三維建模能力，能夠適應新環(huán)境新趨勢下的數(shù)字化測圖成果要求。

1.三維建模與數(shù)字化測圖課程體系的結合關系

考慮到三維建模相關內容與數(shù)字化測圖課程的關系，本次教學實踐采用后續(xù)增設學習單元方式將新增知識模塊引入課程體系。這樣的教學安排是由于三維建模是在二維數(shù)字線劃地圖基礎上完成的，這樣的結合方式使得數(shù)字化測圖課程體系更加完善，能夠形成完整的教學體系。另外，在前期講授圖層、圖形編輯等知識點時，可適當引入在圖形基礎上構建的幾何建模等基本知識，這樣能夠保證在不打亂原有課程體系的情況下，逐步滲透三維建模的基本內容，并為后續(xù)增設的三維知識模塊夯實基礎，使得新增模塊并不顯得突兀，學生也更容易接受。

2.三維建模模塊知識體系

2.1三維建模資料收集

為了更好地實現(xiàn)對真實場景的三維模擬再現(xiàn)，需要收集大量涉及空間整體布局、建筑物實體外部特征紋理及相應的資料。

2.2三維建模資料處理

2.2.1建筑紋理的處理

建筑物紋理是利用專業(yè)相機在建筑物側面獲取的，所獲得的建筑紋理普遍存在著一定程度的變形、色彩飽和度低等問題。想要得到一張規(guī)則的建筑物側方紋理圖，就需要從形狀、色彩飽和度、亮度對比度等多方面進行調整。經(jīng)過處理的建筑紋理圖形比例均勻、色度、色相飽滿、建筑紋理更加明亮，能夠使三維仿真場景更加規(guī)范、更加逼真。

2.2.2數(shù)字線劃地圖的處理

數(shù)字線劃地圖存在著圖形數(shù)據(jù)冗余、缺失，線狀要素碎化，要素描述錯誤，拓撲關系錯誤等大量問題，為保證后期三維建模工作的順利進行，需要對校園數(shù)字線劃地圖進行點、線、面要素的簡化處理。經(jīng)過處理后的數(shù)字線劃地圖存在的空間關系不準確的問題得到了根本性的解決，點、線、面要素空間關系清晰明了，為三維模型的建立打下了良好的基礎。

2.3 建筑物建模

建筑物建模是用實景作為基礎來實現(xiàn)的，通過前期的數(shù)據(jù)資料收集，系統(tǒng)參數(shù)的設置，再利用簡易幾何體構造出建筑物的基本結構，進而對其內部結構的處理，消去一些隱蔽的線與面，調整其內部幾何位置等，從而完成建筑物幾何形態(tài)的建模工作。

2.3.1建筑物幾何建模

用趨近于實體的三維模型去構建虛擬場景是幾何建模的核心部分。建模通常采用簡單模型配合材質貼圖的方法，即利用一些簡單的幾何體去構建一些復雜的幾何體，或者把簡單的幾何體與幾何體之間相互組合構成復合幾何體，從而完成建模任務。若要創(chuàng)建復雜模型，可以先把簡單幾何體轉換成可編輯的多邊形，然后對多邊形的各個子對象進行加工處理，最終實現(xiàn)幾何建模的任務。

為了使構建模型的本身屬性和特點得到良好的表達，就需要從明度、暗度參數(shù)、Blin基本參數(shù)、拓展參數(shù)、超級采樣以及貼圖等方面進行合理的參數(shù)設置。然而在實際建模過程中，由于給物體設置的參數(shù)不是一個確定數(shù)值，所以需要采用分步微調的方法以達到與實際的物體結構特點相符的效果。然后再給選定的模型的每個面一一貼上紋理，并采用到UVW坐標合理調整貼圖的方式、位置以及坐標。

2.3.2燈光設置

在虛擬三維模型創(chuàng)建過程中，燈光的設置與三維模型的仿真程度有密不可分的關系。在三維建模軟件中常用的燈光有天光、泛燈光、目標平行光以及目標聚光燈，這些燈光經(jīng)常作為虛擬模型場景的室外光源。為了使三維模型得到真實的效果，建模通常選用以天光為主，結合目標聚光燈及目標平行光加以輔助的綜合室外光源：即將創(chuàng)建的天光光源設置到建筑物模型的正上方，作為該場景的背景光，使其散射光在建筑物的每個位置都能夠得到很好的光效；然后選用目標聚光燈模擬太陽光，并置于該場景的斜上方，使得建筑物主體顯示出極好的光照效果及方向性；最后選用目標平行光來模擬現(xiàn)實生活中光的折射散射等傳播作用，用它來補充場景不同側面的亮度，從而模擬出現(xiàn)實狀態(tài)下建筑物的光照狀態(tài)。

2.3.3渲染烘焙

為了讓建立的場景擁有真實感、確切感，常常將設置好的燈光效果、調整后的紋理采用貼圖的方式融入到場景中。在動用調整后的紋理時，注意檢查模型的當前狀態(tài)，確認烘托的物體是否符合標準，避免出現(xiàn)紋理覆蓋、多余面、破面或過多重復面等問題。然后對烘托渲染方式進行設置，最后從不同方面方向對建立的三維模型進行快速渲染。如果渲染效果不滿意，就需要重新設置燈光效果，直至達到理想效果。

3.數(shù)字化測圖課程教學體系改革后反思

為了適應三維地圖導航、智慧城市等測繪技術新趨勢的要求，數(shù)字化測圖課程體系增加了三維建模模塊，旨在測繪工程專業(yè)同學具備良好的三維建模能力，能夠適應新環(huán)境新趨勢下的數(shù)字化測圖成果要求。雖然課程體系有了一定改變，但教學內容還應以二維數(shù)字線劃地圖內容為主，切實保證同學們夯實基礎，三維建模內容為提升部分，該部分要注意保持整體課程體系的連貫性。在上機培養(yǎng)模式上，要以二維數(shù)字線劃地圖制圖能力訓練與三維建模能力訓練并重，讓同學們切實掌握二維制圖能力及三維建模能力。隨著前沿技術的推進與革新，還應對三維建模的教學內容及上機培養(yǎng)模式進行持續(xù)改進。

參考文獻：

[1]童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學學報，2005（4）：130-135.

[2]林清夫.引入三維幾何建模的工程圖學教學模式分析與比較[J].工程圖學學報， 2006（4）：148-152.

[3]王丹虹，王曉潔，張桂蘭.機類本科生計算機造型和繪圖技能培養(yǎng)[A].圖學教育研究2004[C].北京：機械工業(yè)出版社，2004.163-165.

[4]武文忠，郭新城.國家基礎地理信息數(shù)字產品——數(shù)字線劃地圖的概述[J].測繪通報，2011（12）：61-63.

[5]王飛.以三維設計為中心的圖學課程改革[A].圖學教育研究2004[C].北京：機械工業(yè)出版社，2004.266-270.

作者簡介：

金劍（1987年-），男，內蒙古包頭人，碩士，內蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院教師，主要從事環(huán)境與資源遙感方面的研究。