增城市綠道三維互動(dòng)展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李琳琳，曹凱濱，管斌

(1.增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃測(cè)繪院，廣東增城 511300； 2.從化市規(guī)劃勘察測(cè)繪隊(duì)，廣東從化 510900)

增城市綠道三維互動(dòng)展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李琳琳1?，曹凱濱1，管斌2

(1.增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃測(cè)繪院，廣東增城 511300； 2.從化市規(guī)劃勘察測(cè)繪隊(duì)，廣東從化 510900)

城市綠道的規(guī)劃、建設(shè)、管理運(yùn)營(yíng)都貫穿著三維技術(shù)，城市綠道的功能展示也是綠道使用價(jià)值提高的重要手段，

三維互動(dòng)展示系統(tǒng)；3D GIS；三維建模；綠道；3ds Max

1 引 言

三維互動(dòng)展示系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將演示媒體與設(shè)計(jì)工具巧妙結(jié)合，將所有景物構(gòu)筑成三維立體、功能強(qiáng)大的智能演示界面，使其活現(xiàn)在用戶面前，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)[1，2]。

增城市結(jié)合公園化戰(zhàn)略，按照主干道路生態(tài)型、鄉(xiāng)村郊野型、城區(qū)都市型的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，率先規(guī)劃建設(shè)了500 km具有當(dāng)?shù)靥厣娜缶G道網(wǎng)絡(luò):自駕游綠道、自行車(chē)休閑健身綠道、增江畫(huà)廊水上游綠道，成為廣東省綠道建設(shè)示范。為了更好地宣傳增城的綠道建設(shè)，并充分借助綠道的示范效應(yīng)展示增城市優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢(shì)，打造宜居城鄉(xiāng)和綠色大珠三角優(yōu)質(zhì)生活圈上的一顆璀璨明珠，增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃局組織開(kāi)展了增城綠道三維互動(dòng)展示系統(tǒng)項(xiàng)目。該系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基于2008年利用航空攝影測(cè)量方式完成的市行政范圍內(nèi)1∶2 000的DOM、DEM、DLG的數(shù)據(jù)建庫(kù)，此外，大量的規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為三維展示提供了諸多素材。

2 建模技術(shù)方法與路線

增城綠道三維建模，綜合運(yùn)用GIS、遙感、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)建立增城綠道沿線部分景點(diǎn)區(qū)域的三維數(shù)字模型，模擬真實(shí)的地形地物和景觀形態(tài)；通過(guò)亞運(yùn)龍舟賽場(chǎng)、三忠古廟、白水寨等二十多個(gè)單元的建筑和配景三維數(shù)字模型的制作，總體上達(dá)到綠道整體輪廓準(zhǔn)確，重要地段形態(tài)清晰，局部重點(diǎn)刻畫(huà)精細(xì)的建模要求，以實(shí)現(xiàn)虛擬綠道展示。圖1表示了亞運(yùn)龍舟賽場(chǎng)的三維模型。

2.1 建模工具

綠道三維建模工具包括數(shù)據(jù)提取、仿真建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換三個(gè)部分，分別采用ArcInfo及AutoCAD、3ds Max和Panda DirectX[3]。

圖1 亞運(yùn)龍舟賽場(chǎng)三維模型

2.2 建模要素和模型精度

建模要素包括綠道沿線的地面(包括道路、水系、地塊面)、建筑、橋梁、配景四大類(lèi)。

本項(xiàng)目采用分精度等級(jí)的思路建立綠道三維仿真模型，模型整體位置、體量、形態(tài)與地形圖基本一致。重點(diǎn)路段道路、地塊面、水系以及沿路建筑、橋梁和配景須按實(shí)際情況制作，位置準(zhǔn)確、外形真實(shí)、協(xié)調(diào)美觀，保證步行模式和低空瀏覽漫游方式下瀏覽的視覺(jué)效果。對(duì)于建筑模型，全部景點(diǎn)均采用精細(xì)建模，能反映建筑細(xì)部(如:屋頂結(jié)構(gòu)，建筑轉(zhuǎn)折面——轉(zhuǎn)折大于2 m，建筑與地面交界的鋪地、臺(tái)階、柱子、出入口等)和建筑附屬元素，模型紋理采用真實(shí)的拍攝影像。

2.3 建模技術(shù)路線和方法

采用面片結(jié)構(gòu)的三維模型的建模包含幾何建模(Geo-Metrical modeling)與紋理貼圖(Texture-Map-ping)兩部分[4～6]。增城綠道三維建模分為資料收集分析、模型造型與光影烘焙制作、模型轉(zhuǎn)換合成優(yōu)化三個(gè)主要步驟，具體工作流程如圖2所示。

圖2 綠道三維建模工作流程

資料收集包括從地形圖獲取道路、水系、建筑等二維矢量數(shù)據(jù)，航空攝影數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片。模型造型以二維矢量數(shù)據(jù)為制作基礎(chǔ)，空間位置、形態(tài)、體量應(yīng)與矢量數(shù)據(jù)一致，建筑的高度以測(cè)高數(shù)據(jù)與層數(shù)屬性推算相結(jié)合確定，對(duì)于明顯與地形圖不一致的地方，以現(xiàn)狀為準(zhǔn)。在白模基礎(chǔ)上，根據(jù)照片特征精化、修改模型，使其與實(shí)際相符。使用3ds Max造型，在兼顧效果的情況下，盡可能簡(jiǎn)化多邊形數(shù)量，貼圖采用實(shí)拍照片經(jīng)PhotoShop處理平正、祛除雜質(zhì)、調(diào)整色差獲取。模型明暗陰影關(guān)系通過(guò)烘培的方式獲得。烘焙貼圖尺寸為1 024×1 024，貼圖有效利用率要盡量高，需要設(shè)置拓展邊6個(gè)～8個(gè)像素，背景色為白(R255、G255、B255)。重點(diǎn)建筑要求低點(diǎn)觀察，貼圖不模糊。光影烘焙后需要回貼到貼圖通道中，貼圖坐標(biāo)要正確。重點(diǎn)單元地塊面把地塊分割為100×100的塊面烘焙。

3ds Max模型需導(dǎo)入Skyline環(huán)境并與相關(guān)屬性建立連接關(guān)系。

2.4 關(guān)鍵地物的三維建模

三維虛擬場(chǎng)景采用三維驅(qū)動(dòng)平臺(tái)Skyline系列軟件集成完成，利用最新的DOM和DEM數(shù)據(jù)生成整個(gè)測(cè)區(qū)范圍真實(shí)的三維地形。關(guān)鍵地物則采用3ds Max軟件建模，將建好的模型經(jīng)過(guò)渲染、格式轉(zhuǎn)換之后導(dǎo)入三維場(chǎng)景，該模型質(zhì)量高、細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯。

(1)建筑三維建模

綠道周?chē)奶厣ㄖ潜卷?xiàng)目精細(xì)建模的重點(diǎn)。建筑建模關(guān)鍵在于三維幾何數(shù)據(jù)和紋理的獲取，其中三維幾何數(shù)據(jù)主要通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)繪方法獲取，本項(xiàng)目充分利用該地區(qū)已有的1∶2 000、1∶500的基本地形圖資料，建筑高度數(shù)據(jù)則通過(guò)增城市建設(shè)工程竣工驗(yàn)收測(cè)量等專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，不完善的高度信息和紋理則分別通過(guò)外業(yè)調(diào)繪、拍照的方式取得[5]。

(2)綠道三維建模

綠道路面的建模數(shù)據(jù)來(lái)源于綠道的橫斷面測(cè)繪數(shù)據(jù)；首先是道路路基的建模，道路的路基自動(dòng)化建模的關(guān)鍵在于相鄰橫斷面上特征點(diǎn)之間自動(dòng)建模，即如何自動(dòng)構(gòu)面。本文是利用三角形作為建模的模型，只在相鄰的兩個(gè)斷面形成三角網(wǎng)，速度較快，而且能解決冗余問(wèn)題[5，6]。當(dāng)遇到綠道曲線段時(shí)，則采用圓曲線的形式代替轉(zhuǎn)折處的三角形的外邊，如圖3所示。

圖3 綠道三角形建模與圓曲線處理示意圖

(3)樹(shù)的三維建模

綠道兩邊的樹(shù)木亞熱帶特色鮮明，因此樹(shù)的三維建模也是本項(xiàng)目重點(diǎn)。傳統(tǒng)的樹(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有:仿真樹(shù)、貼圖樹(shù)(二維圖片)、十字樹(shù)。仿真樹(shù)非常逼真，但構(gòu)建過(guò)程較為復(fù)雜，工作量大，運(yùn)行占用內(nèi)存較大，影響漫游速度；貼圖樹(shù)最方便，但視覺(jué)效果不能很好滿足要求[7][8]。本項(xiàng)目中樹(shù)的三維實(shí)現(xiàn)采用了二維十字交叉圖片即十字樹(shù)，可減少內(nèi)存的占用、增加瀏覽的速度，并能滿足視覺(jué)的需求，如圖4所示。

不同樹(shù)的識(shí)別與建模:利用航空正射影像(DOM)圖像識(shí)別的方法解決樹(shù)種的問(wèn)題。通過(guò)提取樹(shù)的面積、周長(zhǎng)、重心、樹(shù)干、輪廓等幾何形狀特征，根據(jù)各自的閾值按二叉分類(lèi)的方法進(jìn)行分類(lèi)，其中輪廓、重心作為判斷的主要依據(jù)[6]。根據(jù)綠道兩邊樹(shù)木的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，樹(shù)木類(lèi)型分為5類(lèi)，對(duì)這5類(lèi)樹(shù)木分別建立圖片庫(kù)供樹(shù)木三維建模使用，建模方法采用上述十字樹(shù)的方法。

3 三維互動(dòng)展示系統(tǒng)的建立

綠道三維互動(dòng)展示系統(tǒng)利用SkyLine Soft公司的Terra Suite三維GIS系列軟件平臺(tái)，通過(guò)其二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用功能，來(lái)滿足增城市綠道景觀三維展示的實(shí)現(xiàn)、共享、管理保存等方面的要求。在Skyline軟件平臺(tái)上，將增城綠道網(wǎng)絡(luò)路網(wǎng)數(shù)據(jù)、路邊景觀、景點(diǎn)數(shù)據(jù)及其他附屬設(shè)置三維模型導(dǎo)入三維場(chǎng)景中，添加美化場(chǎng)景的素材信息資料，并集成規(guī)劃屬性信息。

開(kāi)發(fā)應(yīng)用于面向增城市綠道三維展示，分步驟展現(xiàn)項(xiàng)目范圍內(nèi)規(guī)劃成果的三維模型(含房屋模型、附屬設(shè)置模型)，并帶有規(guī)劃屬性信息；實(shí)現(xiàn)逐層添加項(xiàng)目范圍內(nèi)未來(lái)的規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，用地規(guī)劃、功能區(qū)規(guī)劃、三維規(guī)劃場(chǎng)景、綠道網(wǎng)絡(luò)路網(wǎng)信息、景觀景點(diǎn)模型數(shù)據(jù)等，并帶有規(guī)劃屬性信息以及相關(guān)模型的屬性信息，全面展現(xiàn)增城市綠道的發(fā)展規(guī)劃以及規(guī)劃效果和后期產(chǎn)生的熱點(diǎn)經(jīng)濟(jì)效益，圖5為三維互動(dòng)展示場(chǎng)景。

圖5 三維互動(dòng)展示場(chǎng)景

該系統(tǒng)在上下坡的坡頂點(diǎn)、坡底點(diǎn)設(shè)置了節(jié)點(diǎn)，使得瀏覽的速度有相應(yīng)的加速度，模擬自行車(chē)的上下坡速度變換的特點(diǎn)，平地上會(huì)勻速前進(jìn)，有較強(qiáng)的體驗(yàn)感。

4 結(jié) 語(yǔ)

使用不斷發(fā)展的三維技術(shù)逼真地描述現(xiàn)實(shí)世界，可更好地輔助地理空間信息公共服務(wù)乃至數(shù)字城市的建設(shè)。本文從增城市綠道虛擬三維景觀建設(shè)的需求出發(fā)，較為詳細(xì)地闡述了三維建模和三維GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的多個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，給測(cè)繪地理信息等相關(guān)單位特別是縣域城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門(mén)提供了技術(shù)參考。目前，系統(tǒng)在重點(diǎn)工程視域分析、規(guī)劃決策、領(lǐng)導(dǎo)視察路線預(yù)定等方面得到相應(yīng)的應(yīng)用。

[1] 朱小戌.街景與三維模型在數(shù)字城市建設(shè)中的優(yōu)劣對(duì)比[J].南方測(cè)繪，2011，2:2～2.

[2] 劉明輝.三維建模在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用[J].山西建筑，2011，37(27):252～253.

[3] 周靖斐，章皖秋，林紫峰等.GIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化建筑物的三維建模方法[J].地理空間信息，2011，9(1):85～87.

[4] 張敏，李建松.基于Creator、3DSMax和ArcEngine的三維城市建模方法[J].測(cè)繪信息與工程，2011，36(1):13～15.

[5] 毛健，蘇笛.地理場(chǎng)景三維可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題研究[J].城市勘測(cè)，2012，4:9～11.

[6] 王杰，崔世杰，尹志永等.深度探討三維數(shù)字城市建模理論與實(shí)現(xiàn)思路[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，25(1):95～95.

[7] 周偉，王軍，田鵬等.城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)[J].城市勘測(cè)，2011，1:20～24.

[8] 許振輝，秦濤，劉士寬等.三維道路建模及可視化方法研究[J].公路，2011，3:161～164.

Design and Implementation on the 3D Interactive Display System of Greenway in Zengcheng City

Li Linlin1，Cao Kaibin1，Guan Bin2
(1.Urban-rural Planning and Surveying Bureau of Zengcheng City，Zengcheng 511300，China；2.Survey Team of Conghua City Construction，Conghua 510900，China)

Planning，construction and management of city green way operations through the 3D technology，the function of urban green road show and is an importantmethod of green use value increase，so the construction of a city green way 3D interactive display system is necessary.In view of the demand for the greenway virtual 3D landscape construction in Zengcheng，this paper design a suitable 3Dmodeling solution for greenway demonstration and propaganda.It has great help on quality of 3D modeling by Stepped-controlling.And it realizes 3D visualization on the greenway and even the whole city scene with 3DGIS.

3D visualization system；3D GIS；3D modeling；greenway；3ds Max

1672-8262(2013)05-26-03

P208

B

2013—03—05

李琳琳(1979—)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、電子地圖和GIS應(yīng)用。

因此建設(shè)一個(gè)城市綠道三維互動(dòng)展示系統(tǒng)很有必要。本文針對(duì)增城市綠道三維虛擬景觀建設(shè)的需求，設(shè)計(jì)了一種綠道展示宣傳的三維建模方案，可較好地控制建模質(zhì)量，并結(jié)合3D GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了綠道乃至整個(gè)市域場(chǎng)景的三維可視化。