基于ArcGIS Pro的三維街區(qū)地圖生產(chǎn)研究與實(shí)踐

王 祥

(南通市測(cè)繪院有限公司,江蘇 南通 226006)

0 引 言

隨著南通軌道交通1號(hào)線的開通運(yùn)營(yíng),南通市正式邁入了“地鐵時(shí)代”。為了更好地服務(wù)指引市民乘車,讓外來(lái)游客了解這座城市,在站點(diǎn)口布設(shè)與展示軌道交通街區(qū)圖是十分必要的。

由于是服務(wù)來(lái)往站點(diǎn)的乘客,地圖的直觀性、一覽性尤其重要。所以,應(yīng)充分發(fā)揮紙質(zhì)地圖在這方面的優(yōu)點(diǎn)[1];同時(shí),通過(guò)俯瞰視角對(duì)地圖要素進(jìn)行三維立體展現(xiàn),直觀描述街區(qū)道路、建筑等的分布情況。相較于二維地圖,三維地圖減少了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象,提升了信息負(fù)載,更加契合人類對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知[2],更有利于輔助民眾出行,發(fā)揮其最主要的交通指導(dǎo)作用[3]。此外,通過(guò)對(duì)建筑、地形等模型的修飾和藝術(shù)化加工,設(shè)計(jì)制定符合地圖使用場(chǎng)景的色彩、符號(hào)化系統(tǒng),充分體現(xiàn)出地圖的藝術(shù)特性[4],能夠讓整個(gè)街區(qū)地圖更加協(xié)調(diào)、美觀,融入軌道交通站點(diǎn)環(huán)境,成為宣傳城市的一張精彩名片。

1 工作流程與技術(shù)要點(diǎn)

1.1 工作流程

通過(guò)對(duì)軌道交通站點(diǎn)街區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍攝影,獲取影像和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)建筑模型單體化,結(jié)合影像、地形圖、規(guī)劃信息等完成地形建模,并對(duì)模型成果進(jìn)行貼圖修飾和格式轉(zhuǎn)換,導(dǎo)入ArcGIS Pro軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和場(chǎng)景設(shè)定,渲染導(dǎo)出相應(yīng)的圖像成果至設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行藝術(shù)加工、要素符號(hào)化、文字標(biāo)注和整飾,最終輸出三維街區(qū)地圖成果(圖1)。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2 技術(shù)要點(diǎn)

編制三維街區(qū)地圖,需要獲取相應(yīng)街區(qū)整潔、協(xié)調(diào)的建筑和地形模型,還需將各類模型整合在同一的坐標(biāo)框架內(nèi),以便于視角的確定、環(huán)境光與陰影的布設(shè)。在正式出圖前,還需要通過(guò)藝術(shù)設(shè)計(jì)將三維場(chǎng)景、地名點(diǎn)要素和軌道交通專題信息,科學(xué)、美觀地組合在一起,便于實(shí)地布設(shè)與展示。所以,較為高效、便捷地生產(chǎn)出符合地圖展示要求的建筑與地形模型,在模型生產(chǎn)和數(shù)據(jù)整合過(guò)程中的多源三維模型格式轉(zhuǎn)換,以及三維場(chǎng)景可視化和地圖藝術(shù)設(shè)計(jì)都是編制三維街區(qū)地圖的重要技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

2 三維模型生產(chǎn)

在南通市軌道交通站點(diǎn)街區(qū)圖的實(shí)際生產(chǎn)中,采用無(wú)人機(jī)對(duì)需要編制三維街區(qū)圖的站點(diǎn)周邊1 000 m半徑范圍進(jìn)行了航攝。獲取了建筑和地表的實(shí)景三維模型和影像數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是制作建筑模型和地形模型的基礎(chǔ)。

2.1 建筑模型

由于無(wú)人機(jī)航攝獲取的實(shí)景三維模型是一張表面覆蓋高分辨率影像的連續(xù)三角網(wǎng)(mesh)[5],真實(shí)復(fù)原了建筑外立面現(xiàn)狀,只能進(jìn)行瀏覽查看,不能對(duì)其中的各建筑單獨(dú)選擇使用。需要對(duì)建筑三維模型進(jìn)行單體化處理并對(duì)建筑外立面進(jìn)行貼圖紋理修飾,才能符合三維街區(qū)地圖兼顧導(dǎo)覽和傳播城市美學(xué)的需求?；趪?guó)產(chǎn)建模軟件DP-Modeler能夠較為快速、便捷地生產(chǎn)出制作三維街區(qū)圖所需要的單體化建筑模型。主要工作步驟包括白模構(gòu)建、紋理映射、模型修整和風(fēng)格化貼圖[6]。

2.1.1 白模構(gòu)建

建筑三維輪廓依據(jù)獲取的實(shí)景三維模成果,在DP-Modeler軟件中對(duì)建筑的立面、頂部等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、測(cè)量從而建立基礎(chǔ)輪廓,并通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)輪廓的編輯、調(diào)整獲得符合使用需求的建筑白模。對(duì)于復(fù)雜建筑則可借助3ds Max等專業(yè)建模軟件進(jìn)行輔助建模。

2.1.2 紋理映射

DP-Modeler軟件支持通過(guò)攝影測(cè)量算法,從傾斜影像中獲取模型貼圖并自動(dòng)化完成紋理映射,相較于手工貼圖,極大地提高了建模效率。本文所闡述的模型成果是為編制三維街區(qū)地圖服務(wù)的,通過(guò)軟件自動(dòng)映射造成的局部紋理瑕疵,在不影響后續(xù)風(fēng)格化貼圖工作的前提下可不予處理。

2.1.3 模型修整

依據(jù)傾斜攝影自動(dòng)化建模生成的較為復(fù)雜的模型或現(xiàn)場(chǎng)條件較差的模型,大多會(huì)出現(xiàn)一定的紋理紊亂、模型缺損、構(gòu)件粘連等情形?？梢栽贒P-Modeler中對(duì)模型的mesh三角網(wǎng)進(jìn)行編輯處理,解決上述問(wèn)題。局部的細(xì)微調(diào)整也可以在3ds Max中與風(fēng)格化貼圖一并開展。

2.1.4 風(fēng)格化貼圖

將處理好的單體化模型導(dǎo)入至3ds Max軟件中,展開模型貼圖UV,查看相應(yīng)建筑部位的貼圖區(qū)域。利用藝術(shù)設(shè)計(jì)軟件對(duì)相應(yīng)區(qū)域的貼圖進(jìn)行風(fēng)格化處理,包括抹去自動(dòng)映射紋理的雜污區(qū)域、刪除不需要表示和不適宜表示的紋理部分、均化同一材質(zhì)在不同光線條件下的色彩以及統(tǒng)一整個(gè)地圖范圍內(nèi)的各建筑紋理貼圖的亮度、飽和度等(圖2)。

圖2 建筑模型貼圖處理前后對(duì)比

2.2 地形模型

地形模型主要是對(duì)地表的道路、水系、綠地、地面鋪裝等要素進(jìn)行建模。為了更好地起到街區(qū)圖交通引導(dǎo)的作用,需要對(duì)道路的車道、車行方向以及人行道等進(jìn)行細(xì)致的貼圖制作。

在編制南通市軌道交通站點(diǎn)街區(qū)圖時(shí),相應(yīng)地鐵站點(diǎn)還在進(jìn)行施工,現(xiàn)場(chǎng)狀況不支持直接使用傾斜攝影自動(dòng)化建模,所以綜合采用影像數(shù)據(jù)結(jié)合地形圖和地鐵建成后路面恢復(fù)規(guī)劃信息進(jìn)行地形模型的手工構(gòu)建。

3 多源模型格式轉(zhuǎn)換與入庫(kù)

三維街區(qū)地圖編制過(guò)程中會(huì)運(yùn)用到通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)航攝獲得的實(shí)景三維模型、地鐵建設(shè)單位提供的出入口和附屬設(shè)施等BIM模型以及通過(guò)各種方法制作的建筑單體化模型、地形模型等多源三維模型數(shù)據(jù)。所有模型無(wú)論是作為作業(yè)依據(jù)還是成果運(yùn)用,都需要通過(guò)格式轉(zhuǎn)換來(lái)滿足使用的需求。在GIS軟件中使用,還需要轉(zhuǎn)換為多面體(Multipatch)要素并入庫(kù)管理。

3.1 實(shí)景三維模型

無(wú)人機(jī)航攝獲取的實(shí)景三維模型一般為OSGB格式,可作為三維街區(qū)地圖框架設(shè)計(jì)比選的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。要在ArcGIS Pro中展示、使用此類數(shù)據(jù),需通過(guò)“創(chuàng)建集成網(wǎng)格場(chǎng)景圖層包”工具將模型轉(zhuǎn)換為SLPK格式。

3.2 BIM模型

作為起到交通導(dǎo)引作用的三維街區(qū)地圖,必須要在地圖中突出表示相應(yīng)街區(qū)的各地鐵出入口和附屬設(shè)施。南通市軌道交通在設(shè)計(jì)、建設(shè)階段運(yùn)用BIM技術(shù)完成這些要素的模型構(gòu)建,數(shù)據(jù)格式為RVT或SKP。在使用這些模型前,需要將格式轉(zhuǎn)換為FBX或OBJ,然后導(dǎo)入至3ds Max中進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。RVT和SKP格式模型,可依據(jù)體量大小選擇3ds Max、Revit或SketchUp軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理操作。

3.3 模型入庫(kù)

所有構(gòu)建或處理完備的模型統(tǒng)一輸出為OBJ格式,然后利用ArcGIS數(shù)據(jù)互操作擴(kuò)展模塊(Data Interoperability)輸出至數(shù)據(jù)庫(kù)(GDB)中。在數(shù)據(jù)庫(kù)中各模型均為多面體(Multipatch)要素,具有良好的互通性和可編輯性[7]。將各模型多面體數(shù)據(jù)加載到ArcGIS Pro中,并通過(guò)復(fù)制、移動(dòng)、定位補(bǔ)足圖面中相應(yīng)重復(fù)形態(tài)的模型。

需要注意的是,在利用3ds Max軟件處理模型數(shù)據(jù)時(shí),若模型所在位置坐標(biāo)值過(guò)大(即偏離零點(diǎn)位置過(guò)遠(yuǎn)),會(huì)產(chǎn)生模型畸變、程序報(bào)錯(cuò)等問(wèn)題。必須對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的坐標(biāo)值縮減,然后再導(dǎo)入3ds Max中進(jìn)行處理。

4 地圖制圖

完成所有三維模型的生產(chǎn)和處理后,需要將模型在ArcGIS Pro中進(jìn)行整合,并進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)定,分要素渲染導(dǎo)出為編制街區(qū)地圖的基礎(chǔ)底圖。基于渲染輸出的圖像成果進(jìn)行地圖藝術(shù)設(shè)計(jì)、圖面整飾并輸出三維街區(qū)地圖成果。

南通市軌道交通各站點(diǎn)的三維街區(qū)圖在設(shè)計(jì)階段均使用實(shí)景三維成果比選確定了場(chǎng)景框架,形成了相應(yīng)的布局文件。在制圖階段,只需將布局文件內(nèi)的實(shí)景三維數(shù)據(jù)替換為各模型成果即可。

4.1 三維場(chǎng)景可視化

基于各項(xiàng)三維模型成果,對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行可視化處理,具體步驟如下:

(1)在ArcGIS Pro中新建布局,并依據(jù)最終需要輸出的三維街區(qū)地圖尺寸設(shè)定頁(yè)面形狀和大小。在頁(yè)面中插入地圖框,地圖框中選擇已經(jīng)加載模型數(shù)據(jù)的局部場(chǎng)景(Scene),即可在布局中顯示相應(yīng)場(chǎng)景信息。

(2)對(duì)場(chǎng)景的顯示選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定,包括位置、高度、旋轉(zhuǎn)角度、傾斜角等。可以激活布局手動(dòng)調(diào)整或在地圖框?qū)傩灾姓{(diào)整參數(shù)。在激活布局狀態(tài)還可以對(duì)場(chǎng)景的繪制模式、照相機(jī)效果、光照等進(jìn)行設(shè)定。

(3)增加模型陰影的表示,提升場(chǎng)景表達(dá)效果。打開地圖框中地圖數(shù)據(jù)的屬性選項(xiàng)框,在照明度選項(xiàng)中勾選“在3D中顯示陰影”“使用環(huán)境光遮蔽”;對(duì)“光貢獻(xiàn)”進(jìn)行設(shè)置,調(diào)整圖面中陰影強(qiáng)弱;點(diǎn)選“絕對(duì)太陽(yáng)位置”并設(shè)置“方位角”和“高度角”數(shù)值,調(diào)整陰影方向和長(zhǎng)度。

(4)根據(jù)地圖藝術(shù)設(shè)計(jì)的需要,通過(guò)“導(dǎo)出布局”功能分批輸出場(chǎng)景內(nèi)各類模型分辨率不低于300 dpi的布局圖片。渲染輸出操作會(huì)占用較多的計(jì)算機(jī)硬件資源,尤其對(duì)顯卡的性能要求較高,需要使用硬件配置較好的計(jì)算機(jī)設(shè)備。

4.2 地圖藝術(shù)設(shè)計(jì)

基于導(dǎo)出的各要素布局圖片以及地名點(diǎn)數(shù)據(jù)、軌交專題數(shù)據(jù)開展地圖藝術(shù)設(shè)計(jì)并輸出最終地圖成果,具體步驟如下:

(1)在設(shè)計(jì)軟件中疊加生成布局圖片,依據(jù)畫面整體情況調(diào)整各布局圖片中要素的色彩、明度、對(duì)比度。對(duì)部分建筑、地面等要素進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚⒓?xì)節(jié)的美化。

(2)在圖面中適當(dāng)增加行道樹、沿河及公園綠植以及柵欄、欄桿等要素。使三維街區(qū)圖更貼合現(xiàn)實(shí)情形,提升畫面的豐富感和層次感,體現(xiàn)出專題地圖的藝術(shù)性。

(3)兼顧實(shí)用與美觀的需求,需要設(shè)計(jì)制作一套能夠涵蓋三維街區(qū)圖中表示的各類信息的符號(hào)[8]。符號(hào)主要分為地名點(diǎn)符號(hào)和軌道交通導(dǎo)引專題符號(hào)兩類。其中地名點(diǎn)符號(hào)包括黨政機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、大廈及住宅小區(qū)等,軌道交通導(dǎo)引專題符號(hào)包括地鐵出站口、無(wú)障礙電梯、公交車站、非機(jī)動(dòng)車停放點(diǎn)、公共自行車停放點(diǎn)等。

(4)將地名點(diǎn)和軌道交通導(dǎo)引專題數(shù)據(jù)疊加至圖面中,利用設(shè)計(jì)的各類符號(hào)進(jìn)行符號(hào)化表示,并依據(jù)分類使用相應(yīng)字體標(biāo)注文字注記信息。

(5)對(duì)圖面進(jìn)行瀏覽查看,核查表示信息的正確性、合理性和美觀性。由于是布設(shè)在軌道交通站點(diǎn),面向公眾的交通引導(dǎo)地圖,圖中表示的各類交通信息和重要單位不能出現(xiàn)錯(cuò)漏,需要重點(diǎn)核對(duì)并向相關(guān)部門核實(shí)。

以上工作完成后,在設(shè)計(jì)軟件中輸出分辨率不低于300 dpi的三維街區(qū)地圖圖像成果提供使用(圖3)。

圖3 和平橋站街區(qū)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

開通城市軌道交通是一個(gè)城市實(shí)力的象征,三維街區(qū)地圖跟隨著地鐵站點(diǎn)不斷向城市的遠(yuǎn)方布陳,是對(duì)這座城市脈動(dòng)節(jié)點(diǎn)最生動(dòng)的刻畫。將無(wú)人機(jī)航攝、單體化模型構(gòu)建和三維地圖編制技術(shù)貫穿銜接,將地理信息與藝術(shù)設(shè)計(jì)有機(jī)融合,方形成了這一幅幅地圖作品。通過(guò)生產(chǎn)研究與實(shí)踐也得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)通過(guò)前期地圖范圍、視角的確認(rèn),能夠明確后續(xù)模型生產(chǎn)的工作量和側(cè)重點(diǎn)。采用合理有效的模型構(gòu)建方式,能夠在減少成本投入的同時(shí)滿足地圖表達(dá)效果和后續(xù)地圖的更新的需求。

(2)有針對(duì)性地對(duì)多源模型數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,能夠滿足生產(chǎn)各環(huán)節(jié)對(duì)模型數(shù)據(jù)的使用需求。此外,成果模型以多面體要素的形式存儲(chǔ)在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中,方便模型數(shù)據(jù)的展示、編輯和管理。

(3)綜合利用地理信息軟件和藝術(shù)設(shè)計(jì)軟件各自優(yōu)勢(shì),在地圖制圖階段能夠有效表達(dá)出三維街區(qū)圖中需要反映的地理信息要素和藝術(shù)設(shè)計(jì)理念。本文提到的三維模型風(fēng)格化貼圖也是運(yùn)用了藝術(shù)設(shè)計(jì)軟件對(duì)三維模型貼圖進(jìn)行二次加工處理,以滿足圖面美觀、整潔的需求。但類似風(fēng)格化貼圖等藝術(shù)設(shè)計(jì)類工作往往需要投入較多人力,未來(lái)隨著人工智能(AI)技術(shù)的不斷發(fā)展,相信該部分工作能夠更加便捷、高效。