GIS系統中實現規模化建筑物的三維建模方法

周靖斐，章皖秋，林紫峰，齊 超，周汝良

(1.西南林業大學云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南昆明 650224；2.西南林業大學資源學院，云南昆明 650224)

GIS系統中實現規模化建筑物的三維建模方法

周靖斐1，章皖秋2，林紫峰2，齊 超2，周汝良1

(1.西南林業大學云南省森林災害預警與控制重點實驗室，云南昆明 650224；2.西南林業大學資源學院，云南昆明 650224)

分析、總結了GIS技術與三維建模技術的特點，在此基礎上提出了一種高效的基于地理信息系統開展建筑物三維建模的技術方法。即采用草圖大師三維建模模塊實現建筑物3D建模，并利用其與ArcGIS軟件的接口，將其植入ArcGIS系統中，構建規模化的城市建筑的三維數字化應用模塊，實現3D瀏覽和應用；同時重點探討了建立應用模塊的三維模型結構化方法，3D文件的組織與管理以及三維數據高效緩存技術處理細節。

3D；ArcGIS；草圖大師；模型優化；數據緩存

城市是人們現實生活中的重要活動空間。在信息時代，現代城市正在飛速發展,人們對城市的了解已不再停留在原有的數字圖表或二維平面上,更多的要求一個直觀的、現實的感受和了解[1]。虛擬現實技術的不斷發展使得“數字地球”有了新的發展方向，通過三維技術的不斷發展來真實地描述現實世界，才能更好地提供專業地理服務，促進GIS的發展。作為“數字地球”的一部分，實現數字城市的三維化，提高校園地理信息的可視化程度，將更有效擴展數字城市的功能，推動數字城市的建設[2]。在此背景下，本文將探討大規模城市建筑三維數字平臺的高效的三維場景可視化，三維數據文件高效存取等關鍵技術實現，以及高效的三維數字平臺應用前景。

1 建筑物建模與GIS應用

1.1 建模平臺發展現狀及分析

規模化建筑物三維模型的建立要充分考慮數據量大小、模型的精細度、建模周期和模型數據通用性等各種因素[3]。

目前，國內外多種主流三維建模平臺主要有：3DS MAX、草圖大師、MAYA、XSI等。本文簡單對比了這幾種常用三維建模軟件的性能，見表1。通過軟件功能、模型精細度、建模周期、模型大小、渲染效果、通用性、操作性、軟件功能強項等八方面的對比表明：草圖大師簡單易學、建模周期短，在模型數據量和細致程度上能夠達到一個非常好的平衡。

除了直觀反映真實世界的三維模型，還要借助三維GIS平臺處理、使用這些三維模型，并提供各類地理分析功能[4]。ESRIArcGIS提供了三維模塊ArcGlobe, ArcGlobe適合于全市、全省、全國甚至全球大范圍內的數據展示，設計用于展示大數據量的場景，基于全球視野，并對數據進行分級分塊顯示，為提高顯示效率。新版本ArcGIS已經可以直接編輯三維要素，提供三維矢量分析和三維動態跟蹤等分析功能，為未來三維應用提供很大的擴展空間。

表1 各種建模平臺關鍵因素的具體比較

2 GIS系統中規模化城市建筑的技術路線

2.1 試驗區及軟件平臺的選擇

本研究選取西南林業大學整個校園為試驗研究區域，其特點在于：整個校園內建筑數量多，外形設計獨特。軟件平臺選擇草圖大師（Sketchup）作為三維建模平臺;選擇ArcGlobe三維顯示與分析平臺。

2.2 試驗區的數據收集

大規模城市建筑的三維數字平臺是以航空影像、數字高程模型和其他數據為基礎,其數據源是多方面的,主要包括以下幾個方面:

1)以校園1∶10000地形圖為基礎地形數據,其他比例尺數據作為補充；2)以校園的IKONOS 1m衛星影像資料，作為還原真實地表的影像數據；3)以1∶1000的二維線矢量數據，作為個建立體三維建筑模型的基礎數據；4)以數碼攝像機獲取的各棟建筑物不同表面的紋理以及其他紋理圖像，作為三維建筑模型紋理數據；5)以草圖大師設計的模型數據,逼真地表示建筑物的精細結構和材質特征。

2.3 三維模型建立原理與流程

從本質而言,三維建模由幾何建模 (Geo-Metricalmodeling)與紋理貼圖(Texture-Mapping)兩部分組成。分為三維幾何模型的建立、紋理貼圖與模型優化三個步驟[5]，具體見圖1。

圖1 三維模型建立流程圖

2.4 規模化城市建筑集成到GIS系統的技術流程

將SketchUp模型應用到ArcGIS中，方法有兩種：1)作為三維符號進行符號顯示；ArcGIS支持*.skp格式三維模型作為三維符號，并不能對其進行分析等操作；2)作為三維模型，則將SketchUp模型轉換為ArcGIS支持的三維數據格式-MultiPatch，實現ArcGIS-SketchUp快捷的交互式編輯，在此基礎上進一步輔助實現分析應用。

3 建立大規模城市建筑三維數字平臺的關鍵技術

3.1 三維數字平臺系統模型結構優化[6-7]

1)利用組件簡化重復形狀的構建。對于場景中需要大量重復的建筑形狀，例如，大型建筑的玻璃窗、樓梯、門等，將其所有的面選中，右鍵創建組件，在下次使用時在組件庫中調用就可以。在整個建模過程中利用組件可以提高建模效率，避免做重復相同的工作，節省時間，而且能夠在一定程度上減少整體場景的數據量。

2)利用貼圖替代細小的面的構建在真實世界中。建筑物中有許多特別細小的面，例如建筑物中的門、窗、樓梯等。在保證模型整體可視化效果的情況下，利用貼圖替代細小的面,可達到對細節的面的簡化。如圖3，4所示，門、窗和樓梯在真實世界中由多個不同的面組成，且結構復雜，在模型的材質貼圖中，都只用高質量的圖片紋理進行貼圖，既簡化了面，又保證了三維模型的可視化效果。簡化面的操作減少了計算機處理三維模型的面的數量，節省了處理時間，提高內存使用率，達到了模型的優化。圖5為整體的校園場景。

圖2 城市建筑集成到GIS系統的技術流程圖

圖3 未簡化模型貼圖細小面的實例

圖4 簡化模型貼圖細小面的實例

圖5 加入3D建筑與3D街景符號的效果圖

3)擦除多余的、看不見的幾何體。在建模過程中，模型的內部會有一些看不見的面和線。本研究只需要建筑模型外部形狀，因此要擦除內部多余的幾何體，即只保留模型外觀的線和面。

4)材質大小和質量。校園三維全景的模型并不需要很大或者很高的分辨率來顯示所有細節。一般直接獲取的照片大小都很大，必須減少圖片文件大小，才能提高模型顯示的速度。在縮小圖片文件大小的同時，圖片的質量也隨之下降，有些圖片信息甚至會丟失。因此縮小圖片時，要有一個控制衡量標準，就是縮小圖片質量的同時，最大限度的保留圖片大量細節。如圖6所示林學樓建模中對材質的質量和大小進行處理的效果對比。

圖6 建筑物表面的材質處理

3.2 三維數字平臺系統數據文件的組織與管理

由于三維數據的龐大、復雜，為了更方便、簡單地管理三維數據，在建立三維數字平臺的數據是以MultiPatch形式存儲于File Geodatabase數據模型中。MultiPatch(多片數據),專門用來描述三維實體表面。多片數據結構不僅能像3D符號一樣表達建筑物，還能進行三維數據屬性管理、錄入，使得建筑三維數據的表達更加豐富，多樣化。

FileGeodatabase是以文件系統中的文件夾存儲。每個數據集以一個文件被存儲，可達到TB級。通過不同類型Geodatabase發現FileGeodatabase具有以下特點：

1)對于海量三維數據，File Geodatabase具備單機存儲和讀取數據性能優于其他類型Geodatabase的特點，這對于三維數字平臺高效顯示、瀏覽、查詢至關重要。

2)File Geodatabase具備跨操作系統，處理強大的數據集的能力，這對于三維數字平臺的數據集成以及空間分析提供強有有力的支持。

ArcCatalog作為ArcGIS管理地理數據的模塊，它可以像管理其他GIS數據一樣管理三維數據。ArcCatalog可以再在目錄樹中使用拖放、命令或快捷鍵復制、粘貼、移動和刪除三維數據；能夠方便使用Geography方式以平面方式預覽三維數據，或者用3D View方式以三維的方式進行預覽。

3.3 規模化建筑的數據緩存技術

大規模建筑的三維場景通常使用數據都是海量的，三維數字平臺高效顯示、瀏覽依賴數據緩存技術用于提高顯示速度，當加載圖層時，數據緩存技術可以有效地進行數據的顯示和查找[8]。

通常使用緩存技術有兩種類型：內存緩存和硬盤緩存。內存緩存指根據具體需要，按數據類型分配調用計算機內存的一部分。硬盤緩存實際上是將數據先分塊存儲于硬盤，用于后面的快速提取，當再次瀏覽同一區域的數據時，因為已經留有緩存，這時的顯示效率更高[9]。

大規模建筑的三維場景中的內容主要為三維物體（3D Geometry）和材質 (Texture)。因此在加載大規模建筑的三維數據時，需要配置高級緩存，關鍵在于分配給三維物體（3D Geometry）和材質 (Texture)較大的內存，對其他數據類型（點、線、文本、高程）分配較少一點的內存。這樣，在一定的計算機硬件條件下，使緩存達到分配適當，可顯著提高整個場景的顯示速度，分配原則是分配的內存大小不超過使用過的計算機的物理內存。

4 結 語

隨著數字地球，數字城市發展，三維數字平臺將會逐漸突破一些關鍵技術，獲得進一步發展。就技術而言，三維建模，大數據量三維數據集成仍是一項費時費力的工作。就其應用而言，現在三維數字平臺在許多方面應用仍然只做一些簡單瀏覽、查詢，所以有人戲稱三維地理信息系統只是一個“花架子”，徒有其表。本文認為三維地理信息系統需要重點以下兩個問題：

1)現在國內三維地理信息系統空間分析功能運用簡單。國外一些研究已經將三維地理信息系統運用到城市交通輔助決策，疾病蔓延擴散，城市火災蔓延模擬。如何將最貼合現實地理環境的三維地理信息系統如何有效完成現實生活的應用需求，將會是本研究下一步的研究方向。

2)在城市建設過程中，出于城市建筑安全性考慮，不可避免出現對微地形的改變，例如：將坡地變為平地，洼地填平等，這樣的改變每天都在發生，容易就造成DEM虛擬地形與現實世界中的地形不符，導致可能會導致部分樓基懸浮于空中情況。如果人為修改虛擬微地形使其與現實地形一致，是否可行，會不會帶來其他問題，有待于下一步研究的深入。因此，虛擬地形與城市建筑三維模型更好結合將下一步研究重點之一。

[1] 謝明.數字城市建設與發展探討[J].中國科技信息,2005,3(14): 164-166

[2] 劉曉艷.虛擬城市建設原理與方法[M].北京:科學出版社,2003

[3] 胡圣武,李鯤鵬.三維GIS關鍵技術的研究[J].地理空間信息, 2008,6(4)：9-12

[4] 江輝仙.數字校園三維仿真系統設計與應用[J].福建師范大學學報,2008,24(3):86-90

[5] 劉新,劉文寶,李成名,等.3維GIS中位置關系的定性描述與推理[J].測繪學報，2008,37(4)：495-500

[6] 張祖勛,張劍清.城市建模的途徑與關鍵技術[J].世界科技研究與發展,2003，25(3)：45-49

[7] 劉紅彥,任軍.GoogleEarth Plug-in的實時信息發布技術[J].時代教育,2008,8(1):111-112

[8] 周紅軍,王選科.虛擬現實系統概述[J].航空計算技術,2005,35 (1):114-116

[9] 戴汝為.數字城市-一類開放的復雜巨系統[J].中國工程科學，2005，7(8):18-20

Key Technologies of 3D Large-Scale Urban Architecture in GIS

by Zhou Jingfei

The paper presented the cost-effective methods of building 3D modeling based on geographic information system s through analyzing and concluding the characteristics of GIS technology and 3D modeling.That was using Google Sketch Up for building 3D modeling,and them odeling will be implanted in ArcGIS system by using ArcGIS software interface,to construct3D application modules of large-scale of the urban architecture,which can achieve 3D application and view;also focused on the structured approach of the establishment of 3D application modules,3D file organization and management,as well as the details of3D data efficiently hand le cache technology.

3D,Arc GIS,Sketch up,optimization model,data cache（Page:85）

P208

B

1672-4623(2011)01-0085-03

2010-11-12

項目來源：國家林業局林業公益性行業科研專項資金資助項目（200704044）。

book=90,ebook=149

周靖斐，碩士，研究方向為三維地理信息系統，地理信息系統集成與開發。