基于MapGIS 的快速三維景觀建模
——以成都理工大學(xué)東區(qū)校園為例

羅鵬瀾，蘭 燕

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

1 概述

三維景觀建模能夠反映現(xiàn)實(shí)世界中相關(guān)地理要素在地理空間中的位置、幾何形態(tài)、表面紋理及其屬性等信息[1]。當(dāng)前，三維景觀建模的方法主要有：（1）基于3DMAX 或SketchUp 等軟件的三維景觀建模。該方法采用了豐富的模型制作工具、材質(zhì)編輯器以及精確的尺寸標(biāo)注實(shí)現(xiàn)了建模，具有直觀逼真、完全面向設(shè)計過程的優(yōu)點(diǎn)，但是人機(jī)交互過程復(fù)雜，涉及大量的手工操作[2-3]。（2）基于衛(wèi)星遙感的三維景觀建模。該方法利用了時效性強(qiáng)、分辨率高的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模，具有數(shù)據(jù)的獲取更為經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)勢，但由于遙感影像的數(shù)據(jù)量巨大，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較大[3-4]。（3）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維景觀建模。該方法運(yùn)用面向?qū)ο蟮娜S景觀建模方法開展相關(guān)建模工作，具有較好的三維仿真功能，但建模工作中需要進(jìn)行相關(guān)的算法和技術(shù)原理的設(shè)計，操作難度較大[5]。

而基于MapGIS 軟件的快速三維景觀建模方法則是面向地理要素進(jìn)行建模，操作簡單，提高了三維景觀建模的效率。即在前期先行獲取相關(guān)的地理數(shù)據(jù)和建筑數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行二維的矢量化操作，并根據(jù)二維的線要素、面要素直接在三維場景中進(jìn)行模型的構(gòu)建。此外系統(tǒng)還支持外部導(dǎo)入模型，并融合了豐富的粒子特效和三維分析工具。

本文以成都理工大學(xué)東區(qū)校園為實(shí)例，利用MapGIS軟件對該區(qū)域內(nèi)的景觀進(jìn)行三維景觀建模，并基于此進(jìn)行快速三維分析。

2 數(shù)據(jù)獲取

建模過程中所需要的數(shù)據(jù)主要有三，一是研究區(qū)的基本空間信息數(shù)據(jù)，包括遙感影像與DEM 數(shù)據(jù)；二是研究區(qū)內(nèi)建筑物的高度數(shù)據(jù)；三是研究區(qū)建筑物外觀的紋理貼圖數(shù)據(jù)。

2.1 遙感影像和DEM

建模區(qū)域的遙感影像主要用于后續(xù)步驟的矢量化操作，為了保證矢量化成果的精度，需要分辨率較高的影像。DEM 數(shù)據(jù)是三維分析的基礎(chǔ)，并可提供區(qū)域內(nèi)高程信息。本例中采用91 衛(wèi)圖助手軟件進(jìn)行遙感影像（分辨率為0.51m）和DEM 數(shù)據(jù)（采樣間距8.22m）的下載，而后在MapGIS 軟件中先導(dǎo)入DEM 數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行高程縮放比、裙邊、色表信息的設(shè)置，進(jìn)而再將遙感影像疊加到DEM 數(shù)據(jù)之上。疊加效果圖如圖1 所示。

圖1 疊加效果圖

2.2 建筑物高度數(shù)據(jù)

建筑高度的測量一般采用全站儀等測量儀器對斜距和角度進(jìn)行精確測量，并進(jìn)一步經(jīng)相關(guān)數(shù)學(xué)變換得到高度數(shù)據(jù)。本例中鑒于時間原因和操作問題，采用“估算法”，公式如下：

式中H 為建筑物的高度，L 為每一層的高度，該參數(shù)可以通過目測或徒手測量的方法獲得，N 為建筑物的層數(shù)。而后，記錄好高度數(shù)據(jù)，方便后續(xù)三維模型的高度數(shù)據(jù)的設(shè)置。

2.3 建筑物外觀紋理貼圖

貼圖的獲取主要通過外業(yè)直接拍攝獲得，并輔以百度街景進(jìn)行截屏操作。對于拍攝的貼圖，由于空間視角的影響，會出現(xiàn)傾斜、局部結(jié)構(gòu)不能完全反映等現(xiàn)象，故不能直接使用，因而還需要利用Photoshop 軟件進(jìn)行亮度調(diào)整、傾斜度改變、裁剪等一系列后期操作，使得貼圖更為真實(shí)美觀[6-7]。

3 二維場景中的預(yù)處理

在進(jìn)行正式的三維景觀建模操作之前，需要在二維場景中進(jìn)行一些預(yù)處理，包含構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫、設(shè)置空間參考系和矢量化操作。其目的在于為三維景觀建模工作準(zhǔn)備二維建模底圖，并系統(tǒng)地存儲這些二維矢量數(shù)據(jù)。

3.1 構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫

MapGIS 軟件中的地理數(shù)據(jù)庫與ArcGIS 軟件的地理數(shù)據(jù)庫類似，是按照層次型的數(shù)據(jù)對象來組織地理數(shù)據(jù)[8]。由空間參考系、空間數(shù)據(jù)、域集、規(guī)則和數(shù)據(jù)庫日志五大內(nèi)容組成。其中，存儲地理數(shù)據(jù)的是空間數(shù)據(jù)這一內(nèi)容，而其中又主要包含了簡單要素類、用于存儲若干個具有相同坐標(biāo)系和區(qū)域范圍的要素類的要素數(shù)據(jù)集、存儲相關(guān)地理數(shù)據(jù)的柵格數(shù)據(jù)集及存儲地物注記的注記類等要素。

本例中，需要先構(gòu)建一個名為“CDUT”的地理空間數(shù)據(jù)庫，對于每一個獨(dú)立建筑物、要外部導(dǎo)入的數(shù)據(jù)、道路、綠化（草坪）、樹木等都在空間數(shù)據(jù)下單獨(dú)創(chuàng)立一個要素數(shù)據(jù)集。

3.2 統(tǒng)一空間參考

考慮到從2018年6月30 日后，所有新測圖件全部將采用CGCS 2000 坐標(biāo)系，而下載的地理數(shù)據(jù)為WGS 84 坐標(biāo)系，因而在本例中，需要自行設(shè)定合適的空間參考系。根據(jù)建模區(qū)域的中央經(jīng)線以及高斯克呂格投影三度帶計算規(guī)律得知正確的空間參考系應(yīng)為CGCS2000 3 Degree GK CM 105E，并命名為“成都 2000”。

3.3 矢量化操作

本例中的矢量化操作，主要針對線要素和面要素，而點(diǎn)要素的矢量化用后期的專題圖直接生成。

（1）線要素：主要對建筑的主體輪廓線進(jìn)行勾繪。需要注意的是，在對建筑物輪廓進(jìn)行矢量化時須一步步地進(jìn)行矢量化操作，避免產(chǎn)生與實(shí)際地物不匹配的情況[9]。

（2）區(qū)要素：MapGIS 中的區(qū)要素主要指的是面積較大的面狀區(qū)域，如道路、草坪等。在具體進(jìn)行矢量化操作時，可充分利用區(qū)編輯下的多種工具。例如，本例中可以利用“造帶洞區(qū)”工具繪制中間有其他物體的草坪區(qū)域。在對道路進(jìn)行矢量化時，可以先利用“造平行線工具”進(jìn)行邊界的勾繪形成閉合區(qū)域，再利用拓?fù)湓靺^(qū)功能將該閉合區(qū)域轉(zhuǎn)化成區(qū)要素。

矢量化的最終結(jié)果如圖2 所示。

4 三維場景中的建模實(shí)現(xiàn)

矢量化操作完成之后，即可將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MapGIS 軟件的三維場景中，以此作為底圖直接進(jìn)行快速三維景觀建模。建模的核心思想是“畫線（區(qū)）成面（體）”，指在利用矢量化得到的線要素和區(qū)要素一步操作即可得到三維空間中的豎面或是體要素。本例中的建模工作主要按照地物的類別對建筑物、道路、綠化等地理要素進(jìn)行建模。同時，系統(tǒng)還支持從外部導(dǎo)入三維模型，從而使場景效果更為豐富[10]。

4.1 建筑物模型

對建筑物的建模要保證其三維模型與實(shí)體建筑具有較高的一致性，同時模型外部紋理要能夠較為準(zhǔn)確的反映實(shí)體的色調(diào)、飽和度、明暗度等特征[11]。本例中傳播科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院的三維模型效果與實(shí)體建筑如圖3、4 所示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

圖2 建模區(qū)域矢量化結(jié)果圖

圖3 傳播科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院的三維模型

圖4 傳播科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院實(shí)景

（1）考慮到建筑物外觀的復(fù)雜性，建模時在MapGIS軟件的三維場景中利用矢量線建模中的線生成豎面工具生成建筑物的豎面。此操作可以單獨(dú)地對每一個斷面（這里定義鼠標(biāo)起點(diǎn)與終點(diǎn)間的線為斷線，由其生成的面為斷面）進(jìn)行相關(guān)參數(shù)如高度和貼圖的設(shè)置。而后進(jìn)一步使用模型編輯中的修改參數(shù)工具修改貼圖的縮放比，使得貼圖符合建筑物的實(shí)際外觀。（2）底面和頂面的生成?？芍苯永檬噶炕僮髦泄蠢L好的建筑物輪廓線要素，利用線生成平面工具，再設(shè)置高程偏移量為0 或建筑物本身的高度，即可生成對應(yīng)的底面和頂面。

此外，對于臺階的建模，應(yīng)首先在創(chuàng)建線要素的時候在屬性結(jié)構(gòu)設(shè)置里面設(shè)置高度字段，然后在屬性窗口里面為不同階數(shù)的臺階設(shè)置相應(yīng)的高度，最后使用拓?fù)湓靺^(qū)工具生成區(qū)要素，再用區(qū)生成體工具將該區(qū)要素轉(zhuǎn)換為體要素，即可得到臺階的三維模型。

4.2 道路模型

圖5 系統(tǒng)自帶的道路貼圖

道路的建模是在矢量化得到的區(qū)要素基礎(chǔ)上進(jìn)行的?？芍苯永脜^(qū)生成水平面工具得到道路模型。本例中學(xué)校內(nèi)部的道路形式多樣，因而要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行道路貼圖的選擇，做到符合實(shí)際路面的外觀設(shè)計。在MapGIS 系統(tǒng)符號庫里，有著多種類型的道路貼紙，如圖5 所示，為用戶提供了多種選擇。

而若系統(tǒng)中沒有符合要求的貼圖，如小區(qū)域范圍內(nèi)的斑馬線，用戶則可以自行新建區(qū)要素進(jìn)行繪制，并在三維場景中修改顏色、縮放比等相關(guān)參數(shù)得到貼切的建模表現(xiàn)。

4.3 綠化模型

綠化的建?？梢詮牟萜汉蜆淠緝煞矫嬲归_。

對于較為低矮的草坪，可直接使用區(qū)生成水平面工具建模。而對于小山包類的草坪則可以利用區(qū)生成體工具，并可在xyz 三個方向上進(jìn)行不同的貼圖設(shè)置。

圖6 嶺南閣的三維模型

圖7 東區(qū)圖書館內(nèi)部設(shè)施的三維模型

而對于樹木，MapGIS 軟件采用“創(chuàng)建專題圖”的方法來進(jìn)行建模。該方法用系統(tǒng)符號庫中預(yù)先制作的符號來表現(xiàn)地理要素，操作簡單，可一次生成大量的點(diǎn)狀模型。使用該方法時，先在二維場景中創(chuàng)建點(diǎn)要素，并在點(diǎn)編輯下創(chuàng)建點(diǎn)要素的子圖。然后導(dǎo)入三維場景中創(chuàng)建專題圖，進(jìn)而在系統(tǒng)符號庫中選擇合適的符號表現(xiàn)形式，并修改相關(guān)參數(shù)，得到較為合理的三維模型。

4.4 外部導(dǎo)入模型

盡管MapGIS 軟件無法對一些較為復(fù)雜的三維模型進(jìn)行精準(zhǔn)地建模表現(xiàn)，但其支持從外部導(dǎo)入3ds、obj 等格式的由其他軟件構(gòu)建好的三維模型。具體實(shí)現(xiàn)時，有兩種處理思路。（1）對于單體模型，如本例中的嶺南閣，可以直接使用三維場景中的導(dǎo)入模型功能，設(shè)置具體的偏移量、縮放比和旋轉(zhuǎn)角度等導(dǎo)入?yún)?shù)，便可實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)入。（2）對于數(shù)量較多且形式較為統(tǒng)一的模型，如本例中的東區(qū)圖書館的內(nèi)部設(shè)施，則可以將模型導(dǎo)入系統(tǒng)符號庫中，再采用進(jìn)行樹木建模時的“創(chuàng)建專題圖”方法進(jìn)行批量化構(gòu)建。嶺南閣與東區(qū)圖書館內(nèi)部設(shè)施三維模型效果如圖6、7 所示。

4.5 其他

（1）粒子系統(tǒng)的設(shè)置。MapGIS 軟件中粒子系統(tǒng)可支持煙花、噴泉、水面等動態(tài)顯示效果。本例中主要在校園內(nèi)設(shè)置一些噴泉效果，使得場景更為逼真。

（2）地物注記的設(shè)置。首先要在二維遙感影像上添加注記類要素，并進(jìn)行地物注記的編輯，字體設(shè)置為中空的隸書體，使得視覺效果更為清晰直觀。而后轉(zhuǎn)入三維場景當(dāng)中，設(shè)置相應(yīng)的符號比率并調(diào)整注記的高度，使其懸浮于地物的上空。

4.6 成果展示

建模工作結(jié)束以后，可以進(jìn)行路徑漫游，在場景中添加需要漫游的路徑點(diǎn)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，即可在構(gòu)建好的三維場景中進(jìn)行漫游。漫游效果如圖8、9 所示。

圖8 漫游展示圖之一

5 三維分析

MapGIS 軟件的三維分析功能可在建模區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形特征的計算和特定目標(biāo)的分析，其操作簡單迅速，可為城市空間的合理開發(fā)利用提供進(jìn)行決策的依據(jù)。本例中主要對建模區(qū)域進(jìn)行可視域分析、淹沒分析和地形剖切分析。

圖9 漫游展示圖之二

（1）可視域分析。該功能是分析從某一特定的觀察點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間是否可視。如圖10 所示，以圖中左下角A點(diǎn)高亮顯示的小區(qū)道路上某一點(diǎn)作為觀察點(diǎn)，對前方景觀進(jìn)行可視域分析，線包圍的空間區(qū)域?yàn)樗^察的范圍。則該范圍內(nèi)的可視區(qū)域?yàn)闇\色高亮顯示部分，不可視區(qū)域?yàn)樯钌吡溜@示部分[3]。

圖10 可視域分析示意圖

（2）淹沒分析。該功能是對某地區(qū)發(fā)生洪水后的水流分布情況進(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)此功能時，有兩種分析方法，一是可以在DEM 數(shù)據(jù)上拉框選取分析區(qū)域的范圍，二是直接設(shè)定洪水水位。如圖11 所示，以第一種分析方法為例，在疊加有遙感影像的DEM 數(shù)據(jù)上先選取分析的起始點(diǎn)，再拉框需要進(jìn)行淹沒分析的分析區(qū)范圍，而后系統(tǒng)自動計算出該區(qū)域的海拔范圍為498.415m 到513.8165m，并在圖中顯示出淹沒情況，淹沒水位達(dá)507.6964m。

圖11 淹沒分析示意圖

（3）地形剖切分析。此分析功能在軟件中具體實(shí)現(xiàn)時是先由用戶自行繪制切割線，系統(tǒng)再自動由此繪制地形剖切面圖。當(dāng)鼠標(biāo)在剖面圖上移動時，還可以反映此點(diǎn)的高程值。該功能的實(shí)質(zhì)是求切割線與DEM 格網(wǎng)交點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)，因而在研究地形剖面時，常常以線代面，概括研究區(qū)域的相關(guān)特征[12]。如圖12 所示，當(dāng)鼠標(biāo)畫線在建模區(qū)域上移動，即用DEM 數(shù)據(jù)上的淺色的立面來切割DEM 數(shù)據(jù)時，立面下方的部分則為切割線，右下角可反映出該條切割線所在區(qū)域的地形剖切面圖及具體的高程信息，并可知該區(qū)域的最低海拔為499m，最高海拔為510m。

圖12 地形剖切分析示意圖

6 結(jié)束語

本文以成都理工大學(xué)東區(qū)校園為例，展示了利用MapGIS 軟件進(jìn)行快速三維景觀建模的過程，構(gòu)建出了較為真實(shí)美觀的三維場景，并進(jìn)行了一些相關(guān)的三維分析。基于MapGIS 的快速三維景觀建模避免了人工進(jìn)行模型設(shè)計的繁瑣操作，運(yùn)行瀏覽流暢，無需設(shè)計復(fù)雜算法，便于對三維部件的快速構(gòu)建。在對建模區(qū)域進(jìn)行三維分析時，其操作簡單、分析迅速的優(yōu)點(diǎn)也是其他軟件難以實(shí)現(xiàn)的。但同時，也發(fā)現(xiàn)了該方法在三維模型構(gòu)建方面仍需改進(jìn)的地方：對于較為復(fù)雜的模型難以實(shí)現(xiàn)自主構(gòu)建，需要依靠外部軟件的支持；模型的渲染效果不夠真實(shí)，精度較低。