城市三維立體地圖的研究與制作

胡維陽

吉林省地礦測繪院，吉林 長春 130062

城市三維立體地圖相比于二維地圖，可以讓人們對生活的世界做更加真實、準確的認識。通過GIS強大的分析功能和逼真的三維立體圖像，人們對整個城市的未來、現(xiàn)在及過去能夠更加動態(tài)、具體、直觀的了解到。通過立體感的三維地圖，讀者在特定的視角下對真實的世界能夠進行全方位地、動態(tài)地觀察，得到的信息不僅豐富，而且最為直接和最具真實感。

1 城市三維地圖的制作流程

根據相關的理論知識，結合實地觀測，得出城市三維地圖的制作流程圖見圖1。

2 建立三維模型

將編輯后的三維數據和修正后的DEM相結合，輸入相應的地表信息即可建立三維立體框架，之后進行不同屬性的構面及紋理填充、綠化等處理后即可形成三維立體地圖。再結合DEM和DOM，運用三維可視化軟件及影像快速漫游軟件即可實現(xiàn)動態(tài)三維立體地圖的效果。

2.1 采集相關信息

實行建筑物高度和地物高程采集，即利用機載激光雷達進行高程的提取方法，具體而言這種方法就是利用激光雷達技術，從雷達數據中提取出較為精準的DEM。同時在計算機中存儲獲得的影像資料，在貼紋理中進行使用。在拍攝建筑物輪廓的過程中出發(fā)點是高層建筑物的頂層，進行組合并對比所獲得的照片，獲得建筑物的輪廓數據和實際外形。如2011年完成的天津中心城區(qū)三維模型的制作，天津中心城區(qū)三維模型制作通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)，任意一條街道的立體實景圖像從多個不同角度都能夠看到，輕點鼠標如同身臨其境，任意穿梭游走在樓宇街道間。圖2為天津的三維地圖。

以激光為主動探測光源的航測傳感器和新型空中偵察系統(tǒng)被稱為機載激光雷達系統(tǒng)，對三維數據可以高精度、直接、快速而且大范圍的獲取到。這一系統(tǒng)在島嶼測量、數字三維城市、交通路線設計等方面得到了廣泛的應用。系統(tǒng)所具有的特點有：軟件配備完善， 數據處理簡單，提供標準數據接口和系統(tǒng)全面的解決方案；數據精度高，回波多層次；操作簡單，集成度高，對各類慣性導航系統(tǒng)都能夠集成。

圖1 城市三維地圖的制作流程圖Fig. 1 Flow chart of three-dimensional citymap to be drawn

圖2 天津的三維地圖Fig. 2 Three-dimensionalmap of Tianjin City

2.2 生成底圖

二維平面地圖是底圖的基礎，在二維平面地圖的基礎上進行三維地圖的模型建立。所以三維立體地圖的效果會直接受到二維平面地圖精度的影響，當空間比例和位置關系在二維平面地圖中是失真的，此時即使三維立體地圖制作出來了也沒有任何意義。為了避免這種情況，在獲得清晰底層的過程中采用Google Earth進行分層次，接著城市完整的底圖的獲取采用Photoshop進行合成。所得到的圖片格式為jpg，在AutoCAD中將此圖導入并作為外部參照，之后在文件中復制二維平面地圖，通過調整位置使建筑物的位置和比例在二維地形圖中精確地對應，就得到了一張精確定位的dwg格式圖。接著在3DS Max中導入制成的底圖，在完成導入后，按照需要的大小縮放視圖中的底圖。

2.3 建立三維模型

2.3.1 選擇建立平臺

考慮到開發(fā)系統(tǒng)的條件和成本，進行三維建模使用3DMAX并利用二維CAD基礎。而且為了方便后期將VR－Platform三維互動仿真平臺導入到創(chuàng)建的模型中，在建模的過程中應遵循以下原則：盡量簡單的模型、合理的模型分布密度。

2.3.2 建筑物立體模型的生成方法

主要有三種方法：NURBS、片面和多邊形建模。由于多邊形建模快捷簡單，所以常被應用在建模中；同時建筑物的輪廓在制作底層圖時已經繪出，實體模型的生成是將建筑物輪廓在二維底圖上向上做一定高度的拉伸，這個高度就是根據機載激光雷達系統(tǒng)生成出的DEM數據提取出建筑物最高點高程及地物高程，從而建立起三維立體模型輪廓，建筑物的實體就出現(xiàn)在地圖上了。同時還要采用布爾運算在立體模型建好后對其進行進一步的修改，其中的運算方法包括Subtraction(B-A)、Subtraction(A-B)、Intersection(交)、Union(并)。通過這種運算進而提高了模型的完美度。

2.3.3 操作步驟

選擇修改對象A物體→在創(chuàng)建面板的菜單中選擇復合對象→單擊布爾運算→選擇運算類型→單擊拾取操作對象B→在界面中單擊對象→完成操作。

我們應該注意的是，在基礎貼圖方式中很難在布爾運算生成的對象中進行應用，所以在建筑物的造型中最好不要過多的應用布爾運算。因為兩個物體相交的前提條件是運用布爾運算，而一些組件會因為連續(xù)的布爾運算而消失。

2.3.4 處理模型外表

處理模型外表涉及到兩個方面：新的材質賦予在模型中，也就是控制高光區(qū)和使用三種顏色。大部分基本反射材料可以通過這種方法進行創(chuàng)建，而且有效的渲染效果會因此生成，這種方法常用在相對應次要的物體中，如階梯、草地、道路等；而在標志性建筑物及相對重要的建筑中常應用貼圖的方法，這樣會產生更加貼近現(xiàn)實的模型。與基本材料相比貼圖更真實更精細，在模型的復雜程度不增加的前提下利用貼圖，對象的細節(jié)能夠突出表現(xiàn)出來，創(chuàng)建出更加貼近現(xiàn)實的三維場景。有多種形式的貼圖，Biotmap貼圖是其中最簡單的。三維地圖的制作過程中位圖被使用的最多。材料的同一層級在貼圖的時候可以被賦予多個貼圖，用貼圖混合材料也可以通過層級的方式來實現(xiàn)。位圖的獲取使用數碼相機對圖像進行拍攝，這樣場景的制作在三維模型中吻合于現(xiàn)實中的實體，這個位圖被作為立體圖像的貼圖。角度適合的照片從拍攝的實地照片中進行選取，所需貼圖單元可以用jpg格式進行存儲并且在Photoshop中進行處理。處理后的圖片貼圖從3DS MAX中調用出來，對貼圖的具體位置利用UVW貼圖坐標進行修改，從而得出接近實體的貼圖模型。

2.3.5 燈光設計

完成貼圖和材質以后，在燈光沒有創(chuàng)建時，會有3個缺省光源在3DS MAX中產生，然而真實色彩在所貼的材質中顯示出來，黯淡的色彩，為了增加效果很有必要為場景增加燈光照射。有三種燈光類型在3DS MAX中：泛光燈、有向光源燈和聚光燈。強度、位置、顏色、陰影、衰減等屬性都包括在所用模擬光源中。在不同的位置布置聚光燈，貼圖的色彩變得鮮亮，對聚光燈的陰影進行控制從而顯示出具有真實感的立體模型。

3 城市三維立體地圖的演示

制作三維立體地圖演示的軟件是比較多的，我們以的Platypus A nimator為例來進行介紹，連續(xù)三維動畫生成的操作流程如下：

單擊“文件”菜單下的“新建AVI方案”→單擊“文件”菜單下“第一步：導入圖像→按順序依次打開已經攝錄好的圖像→設定“每秒”、“真彩色”、“增強色”和“256色”等參數→單擊“文件”菜單下的“第二部：附加聲音文件” →單節(jié)“創(chuàng)建AVI文件”→指定生成路徑→等待*.avi文件生成→雙擊*.avi文件圖標→開始演示生成的三維立體圖。

4 結束語

綜上所述，三維立體地圖就目前而言適合應用在表示空間現(xiàn)象的總體形態(tài)上，其中包括三維景觀地圖、虛擬仿真城市、三維地形圖等。而三維電子地圖具有的優(yōu)點有真實性、直觀性、方位性及立體性等。通過三維電子地圖，人們對整個城市的未來、現(xiàn)在及過去能夠更加動態(tài)、具體、直觀的了解到。

[1] 阮 晴,何宗宜. 基于3DS MAX的武漢大學校園立體圖的制作[J].測繪通報,2002，(12).

[2] 肖海威, 曹凱濱, 劉 洋. 城市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)規(guī)劃發(fā)展 地圖集設計與實現(xiàn)[J].城市勘測,2010，(1): 123-127.

[3] 王永梅,舒娛琴，胡偉平. 虛擬華師校園三維模型的構建[J].華南師范大學學報（自然科學版），2007，（4）.