城市自然資源三維數(shù)據(jù)采集建模探索

范易平

（山西萬德豐土地礦產咨詢有限公司,山西 太原 030001）

0.引言

近年來，隨著城市化進程不斷加快，城市用地需求急劇增長，土地開發(fā)進入地上、地下立體化階段。傳統(tǒng)二維土地利用現(xiàn)狀在空間表達上的劣勢越來越凸顯，土地空間管理要求從平面到立體空間，實行城鄉(xiāng)土地地上與地下精細管理。根據(jù)全國自然資源調查方案和國家基礎測繪中三維中國（城市）的總體要求，開展自然資源三維數(shù)據(jù)采集建模，對自然資源調查成果、基礎測繪成果進行三維表示，解決自然資源管理基礎數(shù)據(jù)薄弱問題，全面提升自然資源服務經濟社會轉型的能力和水平。城市三維包含地形級實景三維、城市級實景三維和部件級實景三維，本文重點探索城市（部件級）實景三維的建設。

1.建模要求

三維建模是對城市范圍內人類生產、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字空間，具有同一權屬、空間連續(xù)的院落、道路、綠地、建筑物及附屬設施等形成的組合地理實體數(shù)據(jù)；包含基礎地理實體、集合地理實體、聚合地理實體等數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)某種統(tǒng)一功能或達到某種管理目的形成的地理實體數(shù)據(jù)集合。模型建設主要包括技術原則、規(guī)格、實體制作、范圍以及紋理采集等方面。

1.1 建模技術原則

三維模型數(shù)據(jù)建設的本底數(shù)據(jù)、表達形式、技術路線、技術標準等應與現(xiàn)行標準基本一致，并考慮應用發(fā)展需求，具有前瞻性和城市發(fā)展中新增模型的擴展支持，階段性實現(xiàn)三維模型建設的標準化。三維模型數(shù)據(jù)重復使用特性：模型數(shù)據(jù)中同類實體、材質、紋理表征等應具重復使用特性，減少三維模型數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)“一次建模多種應用”。

1.2 三維模型規(guī)格

三維模型建模的規(guī)格設計與城市區(qū)域高度關聯(lián)，結合城市歷史、文化、現(xiàn)狀、空間規(guī)劃布局等，按照各類地理要素需要表現(xiàn)的展示效果和細密程度等，可將城市劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個級區(qū)域。不同級城市區(qū)域的三維模型建設要求不同。

Ⅰ級區(qū)：歷史、文化、政治、經濟、綜改、一體化等中心區(qū)域、核心商務區(qū)域。全部紋理表征信息（除建構物頂部外）必須采用拍照數(shù)據(jù)。

Ⅱ級區(qū)：除Ⅰ級以外的歷史、文化、政治、經濟、綜改、一體化等中心區(qū)域。除底商外的紋理表征信息可采用傾斜攝影獲得的影像，主要街區(qū)的沿街底商需要拍照。

Ⅲ級區(qū)：除Ⅰ級和Ⅱ級以外的普通住宅、社區(qū)小區(qū)及臨時建筑等。除沿主要街區(qū)沿街外的底商，其他紋理均采用適當處理的傾斜攝影獲得的影像。

建議采用3dsMAX、SVSmodeler專業(yè)軟件制作模型，成果可轉換成通用數(shù)據(jù)模式，建模長度單位采用米。單個模型存儲數(shù)據(jù)量要求（如表1所示）：

表1 單體化模型存儲數(shù)據(jù)量

1.3 模型單體化制作內容

Ⅰ級模型制作為精細模型制作；Ⅱ、Ⅲ級模型制作主要針對地面以上的建筑物、橋梁做實體化建模，其他要素均用實景模型表現(xiàn)。

模型實體化具體制作內容如下：

（1）需建實體模型的建筑物是指城市區(qū)域區(qū)內永久性建構筑物；

（2）活動房屋、臨時性建筑、擬于近期拆遷或正在拆遷的建筑不在建模范圍之內；

（3）建構筑物建模包括其實體的階梯、露臺、永久性裝飾、屋頂設施（方柱狀或圓柱形）等附屬物；

（4）建構筑物表面細節(jié)部分，采用紋理表征信息；

（5）為還原城市場景的真實性，對不屬于建筑物但依附建筑而存在的部分采用紋理貼圖表現(xiàn)，包括空氣調節(jié)設備、發(fā)射天線、衛(wèi)星接收器、墻壁的懸掛物等；

（6）在建、在修整建筑應準確表達建筑物位置及外輪廓，紋理采用綠網貼圖。

公共設施包括各類橋梁、公交站臺等，按照實際建模(其建模規(guī)范、貼圖方法可參考建筑物建模規(guī)范)，路面與橋面、站臺之間接合部位須平順并無縫連接，禁止出現(xiàn)硬拼接現(xiàn)象。

（1）城市標志性建筑：真實反映建筑立面任意維度大于0.5米的凸凹結構、建構筑及其附屬結構。模型要求比例正確，結構清楚，貼圖正確；

（2）塔形建筑：直徑大于2米，且高度大于10米，需要建模表現(xiàn)；

（3）屋頂裝飾物：投影面大于10平方米，或者最長的一邊大于3米的幾何造型建模表現(xiàn)；屋頂紋理替換與影像色調一致的干凈紋理；

（4）模型應精確反映建筑的立面、屋頂結構形式及附屬設備等細節(jié)；立面及屋頂變化細節(jié)應清晰可辨；

（5）建筑立面貼圖質感要求與建筑外觀保持一致,對于建筑底商要求貼圖清晰可辨、真實反映各建筑的店鋪商標；

（6）模型紋理應與建筑外觀保持一致，反映出紋理的實際圖案、顏色等，區(qū)別于磚、木頭、玻璃等不同質地。應合理控制模型三角面，建筑結構復雜度高的單個對象模型的三角面數(shù)不得超過10000。

1.4 建模范圍

對城市主城區(qū)范圍內Ⅰ級地標性建筑（國家機關，自然資源部門，政府行政審批服務中心等管理用地，大學教育用地，3A級（含3A）以上旅游景點，大型商業(yè)綜合體，面積超過200畝（含200畝）的公園、廣場）進行精細化單體建模；對Ⅱ級地標（縣級國家機關，鄉(xiāng)鎮(zhèn)國家機關，中小學教育用地，3A以下級旅游景點，面積小于200畝的公園、廣場）進行普通單體建模。

1.5 .紋理采集要求

紋理數(shù)據(jù)應對城市街道進行逐條實地采集，在滿足拍攝條件的前提下，對街道兩旁的建筑物、構筑物、公園綠地及景觀建筑等地理要素進行實地拍攝，所拍攝影像的全貌、局部要清晰。拍攝時應盡量在水平方向對側面拍攝，獲取正視影像。對臨街和需細化表現(xiàn)的建（構）筑物在多個角度上采集其各方向相片及細節(jié)照片以展示其全貌。同時需要拍攝附近地面、路面綠化照片（包括樹木、路燈、花壇、標牌）。模型幾何制作要求（如表2所示）：

表2 模型幾何制作要求表

2.實體化模型質量要求

城市三維模型質量應具有科學性，結合基礎地理實體的特征，考慮差異性，不同區(qū)域、不同類別基礎地理實體在進行數(shù)據(jù)采集生產時宜采用不同的幾何精度，以應用需求為導向進行合理設置。

實體模型制作的質量要求通過對其大地基準、高程系統(tǒng)、高度基礎以及模型面（面與面）、模型表達精細度、層級結構、邏輯一致性、場景效果等質量特性來描述。

2.1 精度設置

模型相對于最近控制點點位中誤差≤0.5米；模型基準面高程相對于最近控制點的點位中誤差≤0.3米。

2.2 模型面（面與面）關系

模型數(shù)據(jù)應清理多余的點、線、面等噪音；模型數(shù)據(jù)內部嚴格接邊，不存在縫隙，相交的點需以結點確保相交點的空間拓樸關系正確；模型數(shù)據(jù)中構成模型的多邊形面不允許存在凹多邊形面片。

2.3 模型表達精細度

模型數(shù)據(jù)的非精度控制部位結構比例或邏輯關系要協(xié)調；模型數(shù)據(jù)的紋理無明顯變形、清晰無錯誤。

2.4 層級結構

保證每一個獨立的建筑物為一個對象，在MAX中建立圖層，分為建筑物、地面、附屬小品、植被保存；每個圖層為一個組，方便導出使用。

2.5 邏輯一致性

模型數(shù)據(jù)文件、紋理文件的命名、格式正確，模型數(shù)據(jù)對實際拓撲關系的反映正確，其他注意事項：同一區(qū)域同種類的模型紋理處理規(guī)則是否一致；模型底部的水平程度怎樣；相似建筑統(tǒng)一使用“實例”方式復用。

2.6 場景效果要求

模型完整性、協(xié)調性等通過紋理格式、紋理大小、紋理色調等，準確表達建筑物、構筑物等的特征。

紋理文件格式：.jpeg和.png。

紋理大小及貼圖尺寸：控制在1024×1024以內。

確保路牌銘牌貼圖在任意比例尺下均能清晰顯示。

紋理色調統(tǒng)一，紋理清晰，色調均衡，色彩美觀、明亮、柔和。避免接縫處紋理明暗差別太大，保證建模范圍內整體色調的一致。

2.7 紋理精度

使用航片和實地拍照制作紋理貼圖，紋理須與實際一致，紋理貼圖所表現(xiàn)的建筑特征(如，門、窗、建筑層高等)尺寸精度≤50cm，且須保持大小比例協(xié)調。標志性文字(如，廣告LOGO、路牌、建筑的名稱)須與實際一致。建筑物頂部(如，平面屋頂、坡屋頂、瓦屋頂?shù)?必須與地物現(xiàn)狀保持一致。

2.8 紋理貼圖

對所涉及的模型面應全部貼圖，未經允許不得雙面貼圖。確實無法從影像上獲取和修整的紋理，可用公共材質替換，但建筑材質的尺寸大小須與實際相符。所有模型均貼圖，在確實無法獲取完整的影像情況下，可采用各面紋理與周圍建筑物的紋理相似的方法。停車場單個停車位按實際紋理貼圖。

3.模型單元和編碼

城市三維模型建模單元宜采用與城鎮(zhèn)地籍調查關于地籍區(qū)、地籍子區(qū)相類似的方法建立，按“縣（區(qū)）行政轄區(qū)、街道辦事處（或社區(qū)）管理區(qū)域、建模單元”三級進行劃分，其中，縣（區(qū)）行政轄區(qū)為城市建成區(qū)、建模單元以道路圍合區(qū)域為單位。

城市地理實體編碼是城市基礎地理實體空間身份管理和應用的一種標識，具有可實現(xiàn)基礎地理實體專有標識、唯一標識以及信息關聯(lián)共享等特性。構建模型編碼，可以有效提高城市基礎地理實體數(shù)據(jù)的組織、處理、分析、傳遞和運用效率，實現(xiàn)基礎地理實體的規(guī)范化、標準化管理，切實為各種應用提供便捷的測繪地理信息服務。

建模單元編碼由行政區(qū)劃代碼、街道辦事處（或社區(qū)）順序號和建模單元順序號三部分組成（如圖1所示），并符合下列規(guī)定：

圖1 建模單元編碼

使用大寫字母、數(shù)字和下劃線組合命名；

所有模型及紋理的命名必須唯一；

城市三維模型命名按“建模單元編碼、模型類型、模型細節(jié)層次、模型順序號”四級進行編碼；其中模型類型應按區(qū)域標志模型、建構筑模型、交通橋梁模型和其他模型劃分，可采用各類別名稱首字母縮寫；模型細節(jié)層次應按照區(qū)域分級分類，采用數(shù)字編號；模型順序號應為各類實體順序編號（如圖2所示）：

圖2 城市三維模型命名編碼

4.數(shù)據(jù)歸檔

城市三維模型數(shù)據(jù)均攜帶空間位置、實體精度等關鍵空間信息，使用過程中應遵守測繪地理信息數(shù)據(jù)規(guī)定?；A地理實體文件宜以生產、管理單位（單元）進行記錄，或以基礎地理實體功能主題進行記錄。宜采用空間數(shù)據(jù)庫、空間矢量、可擴展標記語言或通用表格等形式記錄。

各類數(shù)據(jù)按時間分類歸檔管理，數(shù)據(jù)歸檔應注意：

在模型生產完成后導入三維GIS平臺驗證，保證模型的可用性；模型成果必須處于大數(shù)據(jù)平移后的正確位置。單體模型的成果格式為3DMAX，紋理格式為jpg，實景模型的成果格式為OSGB。提交成果包括三維模型、紋理文件、空間坐標信息，可用性檢查報告，編寫三維建模技術總結。

5.結束語

采用360度全景三維建模，信息豐富、真實、直觀、表現(xiàn)力強，可以真實還原城市部件特性，而且還可以通過動態(tài)和交互的方式進行展示，服務國土空間及城市規(guī)劃、建設和管理等。