基于GeoScene平臺的城市三維模型數(shù)據(jù)遷移

王鎮(zhèn)

(福州市勘測院，福建 福州 350003)

1 引 言

隨著我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2000年提出“數(shù)字城市”，2012年提出“智慧城市”，再到2020年提出城市信息模型CIM(City Information Modeling)以來[1]，許多城市都建設(shè)了城市三維模型數(shù)據(jù)庫，其模型類型包括純手工3ds Max三維精細模型、傾斜攝影Mesh三維模型和單體化三維模型等，部署在超圖、CityMaker、Skyline等三維模型數(shù)據(jù)平臺上。其中北京偉景行數(shù)字城市科技有限公司的CityMaker具有較強大的數(shù)據(jù)管理能力與良好的可拓展性[2]。該系列產(chǎn)品采用數(shù)據(jù)庫管理模式，提供從三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)到應(yīng)用的全面解決方案[3]，目前已有多地基于CityMaker平臺建設(shè)完成城市級三維模型數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的管理與更新[4]。

2020年10月Esri推出了GeoScene，由于其強大的全域二三維數(shù)據(jù)編輯、融合、展示和分析等功能[5]，已有不少用戶開始研究基于GeoScene軟件搭建CIM平臺的方案，以探索城市管理應(yīng)用新模式。而如何充分利用現(xiàn)有CityMaker平臺三維數(shù)據(jù)成果，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)移植成為目前實景三維領(lǐng)域的熱點關(guān)注問題。

2 試驗區(qū)及數(shù)據(jù)資料

為了測試GeoScene軟件進行城市三維模型數(shù)據(jù)遷移的技術(shù)路線，研究選取了福州市馬尾區(qū)快安片區(qū)部分區(qū)域三維模型作為試驗區(qū)。該區(qū)域位于福州市中心城區(qū)東側(cè)，北鄰鼓山之麓，南傍閩江，面積約 6.97 km2，主要建筑類型為住宅類建筑和工業(yè)類建筑(圖1)。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

馬尾快安片區(qū)三維模型主要由福州市地方坐標系的單體化三維精細模型和傾斜攝影Mesh三維模型組成(圖2)。模型數(shù)據(jù)源于CityMaker平臺建設(shè)完成的福州市城市級三維模型數(shù)據(jù)庫，模型數(shù)據(jù)組織分為“建筑”“植被”“水系”“場地”“交通”“其他”6大類，此外還有CGCS2000坐標系的 1∶2 000建筑和交通要素地形圖數(shù)據(jù)作為輔助資料。

圖2 CityMaker平臺馬尾快安片區(qū)三維模型

3 總體技術(shù)路線

三維數(shù)據(jù)庫是動態(tài)更新的，為保證數(shù)據(jù)版本的現(xiàn)勢性，從CityMaker導(dǎo)出三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)檢查修整、格式轉(zhuǎn)換、坐標轉(zhuǎn)換等處理步驟后導(dǎo)入GeoScene平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遷移，具體如下：

(1)數(shù)據(jù)檢查修整：檢查CityMaker的三維模型數(shù)據(jù)(3ds Max可導(dǎo)入)是否存在模型破面、貼圖丟失和接邊錯位的情況。若是，則需對以上問題進行修整，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(2)格式轉(zhuǎn)換：GeoScene平臺支持的三維數(shù)據(jù)入庫前格式為“.obj”格式，因此三維模型數(shù)據(jù)在入庫前要先通過格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為“.obj”格式(附帶紋理參數(shù)的“.mtl”格式)的三維模型數(shù)據(jù)。

(3)三維模型數(shù)據(jù)入庫：數(shù)據(jù)經(jīng)過檢查、修整格式轉(zhuǎn)換等系列預(yù)處理后，即可分塊分層導(dǎo)入GeoScene平臺。

(4)坐標轉(zhuǎn)換：現(xiàn)有的三維模型數(shù)據(jù)庫，是基于城市地方坐標系建設(shè)的。當國家要求所有地理空間信息數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)一到CGCS2000后[6]，就需要對歷史數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換。目前三維模型數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換可以通過兩種方式實現(xiàn)：

①采用CityMaker轉(zhuǎn)換：CityMaker支持在平臺中通過坐標系統(tǒng)定義，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的動態(tài)坐標轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，即為新坐標系下的三維模型數(shù)據(jù)，但導(dǎo)出的模型塊之間會存在縫隙，需要后期進行接邊處理。

②采用FME轉(zhuǎn)換：FME軟件能夠支持GeoScene平臺的GDB三維數(shù)據(jù)庫的坐標轉(zhuǎn)換，只需將待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫置于輸入端，通過設(shè)置坐標轉(zhuǎn)換指定工具的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即可實現(xiàn)整個三維數(shù)據(jù)庫坐標轉(zhuǎn)換。

經(jīng)對比考慮，選擇采用FME軟件進行三維模型數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換。

4 三維數(shù)據(jù)遷移

4.1 數(shù)據(jù)檢查修整

首先將CityMaker的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為fbx數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入3ds Max軟件進行數(shù)據(jù)檢查、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。

模型檢查修改：檢查三維模型的幾何結(jié)構(gòu)，判斷是否存在要素丟失、模型錯位和結(jié)構(gòu)破面的情況，并進行修改。

貼圖檢查修改：檢查貼圖是否丟失、貼圖路徑是否正確，貼圖尺寸是否符合要求，對不符合要求的進行修改。

名稱檢查：檢查三維模型和貼圖名稱是否符合命名規(guī)則，對于不符合命名規(guī)則的，利用插件進行分塊修改。

烘焙貼圖修改：GeoScene支持基于漫反射貼圖(diffuse map)的烘焙方式，現(xiàn)有三維精細模型采用LightingMap的烘焙方式，因此需要將原先的三維模型烘焙材質(zhì)去殼后重新進行貼圖烘焙。而基于傾斜攝影的三維Mesh模型，由于貼圖自帶自然光影效果，無須烘焙。

數(shù)據(jù)分層組織：為了便于三維模型數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用，考慮數(shù)據(jù)發(fā)布效率(發(fā)布層僅限15層及以內(nèi))、更新效率等影響因素，結(jié)合實際的應(yīng)用需求，對三維模型數(shù)據(jù)重新進行分層組織。

4.2 格式轉(zhuǎn)換

經(jīng)過檢查修整后的三維模型數(shù)據(jù)，可在3ds Max軟件中直接導(dǎo)出為“.obj”模型數(shù)據(jù)。在進行格式轉(zhuǎn)換時需注意，將每個物體導(dǎo)出為獨立的“.obj”格式(附帶“.mtl”文件)；模型的貼圖文件不應(yīng)遺漏。

4.3 三維模型數(shù)據(jù)入庫

三維模型數(shù)據(jù)經(jīng)過修整、重新組織和格式轉(zhuǎn)換后，即可導(dǎo)入GeoScene平臺的GDB數(shù)據(jù)庫。在GeoScene軟件中先創(chuàng)建一個空的GDB數(shù)據(jù)庫，坐標系設(shè)置為當前三維模型數(shù)據(jù)的實際坐標系(若需要進行坐標轉(zhuǎn)換則先不設(shè)置坐標系)，設(shè)置建筑、交通、水系、植被、場地等模型層，然后利用工具箱(ArcTool box)中的“導(dǎo)入3D文件”工具，分塊選擇經(jīng)過預(yù)處理的“.obj”模型(附帶“.mlt”文件)和貼圖文件所在目錄文件，按照要素類型，導(dǎo)入GDB數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的層級中。

4.4 坐標轉(zhuǎn)換

三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入GDB數(shù)據(jù)庫后，利用FME軟件的“Affiner”工具進行投影坐標轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換的過程需根據(jù)實際情況選擇具體參數(shù)，并將輸入和輸出數(shù)據(jù)格式都選擇為“GDB”格式(File Geodb)。經(jīng)過FME轉(zhuǎn)換坐標后的數(shù)據(jù)在GeoScene中不顯示坐標信息，需采用GeoScene Pro桌面端的“定義投影”工具，將數(shù)據(jù)庫投影坐標定義為相應(yīng)的坐標系統(tǒng)。

5 成果分析

圖3為GeoScene平臺研究區(qū)三維模型數(shù)據(jù)遷移結(jié)果，經(jīng)檢查數(shù)據(jù)內(nèi)容保持不變，各相鄰區(qū)塊數(shù)據(jù)之間不存在縫隙、交錯等接邊問題。在顯示效果上，三維精細模型的色彩飽和度及光影層次感略有降低，但傾斜攝影Mesh三維模型的變化不明顯。利用FME軟件對三維模型GDB數(shù)據(jù)庫進行坐標轉(zhuǎn)換后，模型與二維地形圖疊套正確，精度滿足要求。

圖3 GeoScene平臺馬尾快安片區(qū)部分三維模型

總體來看，遷移后的數(shù)據(jù)較好地保持了原CityMaker平臺的模型展示效果，其分層后的屬性表中還附帶有各單體模型的屬性信息(此處為File Name，即原3ds Max物體名稱)。GDB屬性表可以通過添加字段來新增更多的物體屬性信息，并且可以通過“File Name”唯一字段進行信息備份存檔和掛接，可以為城市信息的管理提供技術(shù)支持。

由于GeoScene平臺沿用了許多ArcMap軟件數(shù)據(jù)處理工具，因此該平臺可以有效地實現(xiàn)二三維一體化展示、管理和應(yīng)用分析。例如，依托GeoScene Pro桌面端的工具，可以對模型進行簡單的二三維查詢和屬性錄入、測距、模型切割刪減、生成閉合面和緩沖分析等(圖4)。

圖4 GeoScene平臺查詢、編輯、工具箱等界面

6 結(jié)論和展望

(1)本研究從CityMaker平臺出發(fā)，通過一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至新近的GeoScene平臺數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了三維模型數(shù)據(jù)遷移，同時也很好地保留了三維模型原始信息和特性。

(2)由于目前GeoScene平臺至多只能共享發(fā)布15層三維模型數(shù)據(jù)，因此需要對三維數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織進行詳細設(shè)計，對三維模型數(shù)據(jù)進行輕量化處理，結(jié)合數(shù)據(jù)切片技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和共享應(yīng)用。

(3)本研究探究了GeoScene可用于CIM平臺數(shù)據(jù)遷移及其潛在應(yīng)用能力。但當前，CIM的內(nèi)涵正從City Information Modeling到City Intelligent Model不斷發(fā)展，不僅包括了GIS、BIM、IoT、二三維一體化和數(shù)字孿生等，還有更多未被探究的組成部分存在[7]。GeoScene雖已具有包括二三維一體化展示、三維場景應(yīng)用等部分功能，但由于目前我國CIM的研究仍處于初始階段，因此如何基于該平臺應(yīng)用好BIM、物聯(lián)網(wǎng)IoT等海量大數(shù)據(jù)，仍有較長的路要走，并值得未來進一步探究。