數字城市三維建模關鍵技術研究

　　摘要：三維模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，成為數字城市的研究重點。建筑物的三維建模作為主要的建模內容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點。本文基于筆者多年從事數字城市的相關工作經驗，以三維數字城市為研究對象。探討了數字城市中三維建模的主要內容和相關建模方式，并以實例的方式實現了三維建筑物建模，結果表明該思路能滿足實際應用。全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。
　　關鍵詞：數字城市 三維建模
　　中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2012)03(a)-0000-00
　　1 引言
　　“數字城市”的概念來源于“數字地球”，它是“數字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解層面和切入角度上的差異，目前仍很難對“數字城市”內涵作確切的定義。但隨著對“數字城市”理論與技術的研究及應用探索的不斷深入，人們對它的認識將會逐漸趨向統一，并形成對它的標準定義。
　　三維模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，成為數字城市的研究重點。建筑物的三維建模作為主要的建模內容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點。
　　三維地理信息系統的建立，可以和現有的二維地籍數據、規劃數據、土地利用數據等結合，分別形成三維地籍系統、三維規劃系統、三維土地利用系統等。這些三維系統具有快速的三維漫游、查詢、定位、統計、分析、打印輸出等功能，將更好地為“數字國土”服務。三維模型的快速建立與更新，對維護三維地理信息系統數據的現勢性、直觀性、更好地為國土資源利用提供更好的決策，具有十分重要的作用和意義。
　　2三維建模技術現狀
　　三維城市模型(3DCityModel，3ocM)是地理信息系統、數字攝影測量及其相關學科的研究熱點之一。盡管3DCM的研究歷史非常短暫，但人們針對不同的應用目的，構建了各種具有不同功能的3DCM，具體分為以下幾類：
　　2.1 遙感影像與DEM結合方式
　　即直接利用DEM生成地形三維透視圖，遙感影像作為紋理映射到地形表面。這種方式只是一種地形景觀，無法對地表實體對象進行三維顯示、空間信息查詢和分層管理。大多數成熟的商品化GIS系統(如ArcView、MapGuide)己經具有這種2.5維的地形顯示功能。
　　2.2 基于2DGIS的構建方式
　　即利用現有2DGIS數據及其三維屬性信息建立3DCM。該方式包括以下具有代表性的構建方法：
　?。?）在二維GIS的基礎上，直接添加一些信息(如房屋高度、墻面紋理等)，使用假定高度和模擬紋理來構建建筑物對象。這種方法的缺點在于模型真實感差，對城市景觀信息的表達少，另外沒有考慮DEM。（2）DEM和二維GIS結合的方式，這種方式用DEM作為建筑物的承載體，表達地表的起伏，然后使用假定高度和模擬紋理來構建建筑物對象，比上一種方式更具真實感。（3）部分2DGIS系統(Arc/Info)發展了構建3DCM的功能模塊，具有初步的量測功能，但缺乏對建筑物紋理的提取與處理，景觀表達的真實感程度不夠。
　　
　　2.3 純三維的構建方式
　　針對數據獲取方式的差異，純三維構建3DCM方式分以下不同方法：
　?。?）利用地面攝影影像與地面激光掃描儀來構建，這種方法每次采集數據范圍受通視條件所限，在建筑群密集地區難以應用；（2）利用衛星影像與機載激光掃描儀來構建，該方法采集數據快，但獲取的DEM精度不高；（3）利用航空立體像對的方法，利用目標提取技術，實現航空影像房屋三維數據的半自動量測，進而在地面與建筑物表面二維半不規則三角網和原始數字影像的基礎上，實現建筑物可見表面紋理恢復，重建城市三維景觀。
　　3 數字城市三維建模的關鍵內容
　　目前建筑物三維建模的一般流程如圖1所示。三維空間數據的獲取，實質是空間定位數據的采集。三維模型的建立與編輯，三維幾何模型是紋理數據和屬性數據的載體，也是數碼城市GIS提供各種定量空間解析分析能力的基礎。建筑物表面紋理數據主要用于提供逼真的視覺標識，增強對建筑物本身及其相互之間空間關系的感知和識別?？梢暬夹g的運用，用于增強用戶與數據模型之間的交互操作性能，尤其是與虛擬現實技術的結合，使得用戶沉浸于三維的場景中與模型數據直接進行交互操作。
　　3.1 三維建模數據的獲取
　　三維建模的首要任務就是要收集建模的數據。在城市中存在著眾多的