大型建筑物室內(nèi)外三維模型構(gòu)建

孫瑞祺 連懿 王子悅 張紅 孟繁

摘要：地物三維模型是地理要素和景觀的三維表達，是地物幾何、紋理、屬性信息的集成。由于其所含地理信息的豐富性及空間表達的逼真性，地物三維模型在城市空間信息管理、城市空間形態(tài)和分布的計算分析與模擬等眾多應(yīng)用中呈現(xiàn)出巨大的潛力，使其成為“智慧城市”建設(shè)的重點。文章研究了基于多源數(shù)據(jù)的大型建筑物室內(nèi)外一體化三維建模的地物數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，以及基于3DMAX的室內(nèi)外場景的精細(xì)化建模方法，并對天津師范大學(xué)室外場景以及體育館室內(nèi)場景和全空間管網(wǎng)進行三維建模實驗。

關(guān)鍵詞：三維建模；建筑物；室內(nèi)外

建筑物作為城市中主要地物，是地物三維建模的主要內(nèi)容之一。但是由于其多樣性的外觀、復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建筑物三維模型不同的精度直接影響著視覺空間的真實性和模型的可視化效果。而大量管網(wǎng)管線都分布于建筑物墻體內(nèi)外，使得建筑物成為構(gòu)建城市管網(wǎng)管線模型的重要載體和主要參照，對管線的監(jiān)測和管理離不開對其所在建筑物的空間把握。將大型建筑物管線系統(tǒng)模型構(gòu)建于室內(nèi)外一體的精細(xì)化三維模型相結(jié)合，才能更好地實現(xiàn)對建筑物全空間管線的三維展示、查詢和數(shù)字化、可視化的分析應(yīng)用。

1 三維建模內(nèi)容與方式

1.1 三維建模內(nèi)容

按照所表達的構(gòu)成大型建筑物場景的特點，結(jié)合建筑物室內(nèi)外一體化三維建模的需求，本文將三維建模內(nèi)容分為6個部分：建筑物室外模型、交通設(shè)施模型、公共設(shè)施模型、植被模型、水系模型和建筑物室內(nèi)模型[1-2]。

建筑物室外建模應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際情況進行研究。比如，對于已經(jīng)竣工的建筑物與施工圖紙有差距的情況，按照實際測量數(shù)據(jù)進行建模；對于仍在施工階段尚未竣工的建筑物按照施工程度進行近似建模[4]。

以多層次細(xì)節(jié)（Level of Detail，LOD）技術(shù)構(gòu)建的建筑物室內(nèi)模型作為三維可視化空間的對照和依托也不可或缺。由于建模精度越高和數(shù)據(jù)量越大，為權(quán)衡和保證處理效率，精細(xì)化建模還應(yīng)該按照不同的細(xì)節(jié)層次劃分。

交通設(shè)施模型作為大型建筑物場景三維模型中的另一種主要類型，在空間上起著連接和溝通建筑物等各類要素的重要作用。其表達的內(nèi)容包括以面狀數(shù)據(jù)類型為主的道路、軌道交通和橋梁以及以點狀數(shù)據(jù)類型為主的道路附屬設(shè)施[5]。公共設(shè)施模型是獨立地物的三維模型，主要是建筑場景的公共服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，如城市公共文化藝術(shù)設(shè)施、休憩休閑娛樂設(shè)施、公共衛(wèi)生設(shè)施、安全設(shè)施等。

植被是大型建筑物場景三維模型可視化效果的關(guān)鍵模型之一，對整體大型建筑物場景往往是畫龍點睛之筆，使整體場景景觀更為生動形象[2]。其建模內(nèi)容主要分為兩類：獨立的植被對象和植被面集合。水系水域是重要的生態(tài)資源，也是不可或缺的自然和人文景觀。河流等水系對建筑物等地理實體的分布格局有一定影響，能夠增加場景的真實性，為整體模型增加靈動和美觀。

1.2 三維建模方式

隨著地理空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)及三維可視化技術(shù)的發(fā)展，地物三維模型的構(gòu)建方法從建模成果及應(yīng)用空間目標(biāo)進行區(qū)分，可分為兩大類：以地理測量技術(shù)為依托的可視化建模和以管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的建筑信息模型。

可視化建模（Visual Modeling，VM）是使用圖形語言對地物對象和系統(tǒng)進行的圖形表示的建模方式。在建模內(nèi)容上，主要用于地物的可視化呈現(xiàn)與簡單分析，側(cè)重于地物的三維表達，對地物構(gòu)成對象的劃分不夠精細(xì)和明確，不關(guān)注附屬在地物上的屬性信息。在建模方法上，多基于地理測量技術(shù)，采集和表達地物的三維空間幾何信息和表面紋理信息。根據(jù)所采取的測量技術(shù)不同，此類模型又可分為依地形圖數(shù)字采集、攝影測量和激光掃描（LiDAR）建模3種[3]。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）不同于可視化建模側(cè)重表達物理特性（幾何特性），其本質(zhì)側(cè)重于建筑物屬性包括如建筑材料材質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、工程造價、型號、年限等非幾何信息的表達。BIM是以建筑物的三維數(shù)字化為前提，將建筑生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，包括設(shè)計、施工建造、運營、拆除等所需要的信息關(guān)聯(lián)起來所形成的建筑非幾何屬性集。

以上建模的方法有各自的優(yōu)缺點，相互之間并不矛盾沖突。面向大型建筑物三維場景模型構(gòu)建，常常需要多種數(shù)據(jù)源和技術(shù)手段相結(jié)合。

2 二維模型構(gòu)建技術(shù)流程

三維建模的技術(shù)流程大致分為：地物多元數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、幾何模型構(gòu)建、紋理貼圖、模型集成、質(zhì)量檢驗、數(shù)據(jù)更新與維護6個主要步驟。具體流程如圖1所示。

2.1 地物多源數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

由于地物三維信息相較于二維更加豐富和復(fù)雜，在建模之前，首先要進行地物多源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。從地物三維模型內(nèi)容劃分，可將所需數(shù)據(jù)分為以下3個類別：（1）通過無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描技術(shù)對建筑物幾何數(shù)據(jù)進行采集與初步處理。（2）實地拍攝采集建筑物外立面紋理。（3）通過野外實測使用全站儀數(shù)字化建筑物施工圖紙獲取數(shù)字線劃圖作為建模底圖。

2.2 幾何模型構(gòu)建

幾何模型構(gòu)建是三維地物建模的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。首先需要對建模內(nèi)容、模型精細(xì)程度、模型面片數(shù)要求、尺寸規(guī)格及數(shù)據(jù)格式等進行明確。再通過激光掃描獲取建筑物的高程、形狀尺寸等幾何數(shù)據(jù)，結(jié)合攝影測量補充制作建筑細(xì)部幾何模型，并根據(jù)數(shù)字線劃圖底圖在3DMax中進行建模。按幾何模型的精細(xì)程度，地物三維模型可劃分為白模、簡單模型和精細(xì)模型3類。根據(jù)大型建筑物室內(nèi)外三維模型的構(gòu)建需要，對幾何模型的精度應(yīng)當(dāng)采用室內(nèi)外一體化高精度的精細(xì)模型。

2.3 紋理貼圖

紋理貼圖是通過對建筑物外立面、屋頂和室內(nèi)全方位拍攝，選擇成色較好的照片，處理后對建筑物白模進行貼圖的方法。該步驟主要用于更逼真地表達地物現(xiàn)實視覺效果，從而增強對地物特征及相互之間空間關(guān)系的感知和把握。

模型紋理貼圖一般有兩種模式：（1）對紋理要求不高的簡單模型紋理貼圖，通過區(qū)域采集紋理，再使用批處理工具為模型自動粘貼紋理。（2）對各種不同精細(xì)級別的建筑模型的紋理貼圖，即對建筑模型逐面進行人工貼圖，此方式也是現(xiàn)階段三維模型紋理貼圖的主要方式。

2.4 模型集成與數(shù)據(jù)更新維護

模型集成是在模型構(gòu)建和制作完成之后，對模型數(shù)據(jù)進行的集成處理，在空間上進行匹配，形成最終的模型效果，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行存儲。模型質(zhì)量檢驗則是對地物三維模型的質(zhì)量進行評價，判定數(shù)據(jù)質(zhì)量結(jié)果，判定場景整體效果并編寫數(shù)據(jù)質(zhì)量評價報告，確定數(shù)據(jù)是否滿足建設(shè)規(guī)范，不滿足需要修改。

數(shù)據(jù)更新與維護是在模型構(gòu)建完成后，建立有效的更新維護機制，根據(jù)地物三維模型的變化程度和應(yīng)用需求，及時或定期對要素、區(qū)域、版本數(shù)據(jù)進行更新維護，使其具有良好的現(xiàn)勢性并保持?jǐn)?shù)據(jù)有效性。

3 室內(nèi)外場景三維建模實驗

實驗前期通過無人機傾斜攝影測量半自動化數(shù)據(jù)采集和三維LiDAR技術(shù)相結(jié)合，配合外業(yè)測量和實地拍攝獲取了天津師范大學(xué)區(qū)域多源空間數(shù)據(jù)。本文將通過三維建模中最常見，也是工作量最大的建筑模型為例，以天津師范大學(xué)體育館為案例區(qū)，使用AutoCAD2014和3DMax2012兩個軟件相結(jié)合，輔助PhotoshopCS3等軟件，進行室內(nèi)外場景三維建模的實驗。

（1）將體育館的二維平面建筑施工圖導(dǎo)入AutoCAD，并根據(jù)外業(yè)測量的控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)和LiDAR點云測距數(shù)據(jù)進行幾何位置和尺度校正，制作數(shù)字線劃圖，作為三維建模的底圖。

（2）基于繪制“線”操作對建筑物的二維輪廓在3DMax中勾畫建筑基底的二維幾何形狀；對采集的LiDAR點云進行量測，獲取整體高度，并在此基礎(chǔ)上使用“擠出”操作，完成建筑外部主體的構(gòu)建。

（3）對建筑室外模型細(xì)節(jié)進行調(diào)整；直接根據(jù)二維矢量數(shù)據(jù)制作出的主題模型，以LiDAR點云數(shù)據(jù)或外業(yè)拍攝照片為依據(jù)，添加制作如出入口、立柱、護欄、陽臺、臺階等建筑外部精細(xì)局部結(jié)構(gòu)及附屬物，得到體育館的室外白模。

（4）在體育館室外幾何模型內(nèi)部，根據(jù)室內(nèi)矢量二維平面底圖，結(jié)合室內(nèi)LiDAR點云數(shù)據(jù)和室內(nèi)實地拍攝的照片，進行室內(nèi)幾何模型構(gòu)建，得到體育館室內(nèi)外一體化三維幾何年旲型（見圖2和3）。

（5）將紋理數(shù)據(jù)通過材質(zhì)編輯器對材質(zhì)球進行參數(shù)的設(shè)置；其次，根據(jù)需要把一張紋理按規(guī)則貼到整個模型面上，或根據(jù)需要對各個單獨的面片進行平鋪調(diào)整，完成UVW貼圖處理（見圖4）。

（6）紋理貼圖完成后，優(yōu)化處理包括：刪除模型不需要的點、線、面，如建筑底面等；清空模型材質(zhì)球；將模型文件及紋理圖像放在同一個文件夾中，刪除當(dāng)前模型有使用的紋理。

（7）最后，模型檢查的主要內(nèi)容包括：模型與源數(shù)據(jù)誤差是否在允許范圍之內(nèi)；模型與外業(yè)照片的匹配度是否達到要求；模型是夠漏貼紋理，是否丟失貼圖；紋理中是否存在不屬于建模對象本身的遮擋物，如人、樹、車輛等。體育館室內(nèi)外三維模型如圖5所示。

4 結(jié)語

城市各類管網(wǎng)、管線是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市的“動脈血管”，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。而三維室內(nèi)外場景一體化模型的構(gòu)建對管網(wǎng)、管線信息的數(shù)字化和可視化表達意義深遠。本文闡述了通過對多源數(shù)據(jù)幾何信息、紋理信息、屬性信息的提取，獲取室內(nèi)外場景的幾何數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的方法；具體介紹了管網(wǎng)室內(nèi)外三維場景構(gòu)建的內(nèi)容和方式，提出了基于多源數(shù)據(jù)的室內(nèi)外三維模型構(gòu)建流程，并利用該技術(shù)流程實現(xiàn)了實驗區(qū)的室內(nèi)外三維場景的構(gòu)建。

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