基于CAD和Creator的城市三維快速建模方法研究

陳 玲

(常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213002)

基于CAD和Creator的城市三維快速建模方法研究

陳 玲?

(常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213002)

提出一種城市三維快速建模方法,即利用現(xiàn)有城市基礎(chǔ)地理信息資源,借助CAD和Creator軟件平臺(tái),通過(guò)開(kāi)發(fā)各種人機(jī)交互的輔助工具,結(jié)合特定的技術(shù)流程來(lái)實(shí)現(xiàn)既準(zhǔn)確又美觀的城市快速建模技術(shù)方法。文中以實(shí)際地塊建模為例,詳細(xì)描述了地塊中建筑、地面、道路、小品等各類對(duì)象建模的具體建模方法,該方法既提高了城市三維建模的效率又保證了城市三維模型真實(shí)、美觀的效果。

CAD;Creator;城市三維;快速建模

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的迅猛發(fā)展,計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的緊密結(jié)合,為城市空間地理信息系統(tǒng)的建設(shè)提供了嶄新的表現(xiàn)方式,為人們認(rèn)識(shí)和改造城市社會(huì)提供了嶄新的觀察和分析方法。城市三維仿真以其逼真的三維場(chǎng)景和良好的交互性能夠給用戶帶來(lái)強(qiáng)烈的、逼真的視覺(jué)沖擊,獲得身臨其境的體驗(yàn),可廣泛地應(yīng)用于城市規(guī)劃、智能交通、三維地圖、自然災(zāi)害和恐怖襲擊等事故應(yīng)急管理、污染物擴(kuò)散的模擬與仿真、城市中的文化遺產(chǎn)保護(hù)、真實(shí)感游戲、城市監(jiān)控、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。以3DGIS技術(shù)所追求的精確數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn),向虛擬現(xiàn)實(shí)所追求的逼真效果靠攏,如何快速、準(zhǔn)確、逼真地建立三維模型已成為越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。

2 CAD與Creator結(jié)合建模

2.1 城市建模方法比較

就城市建模方法而言,目前可以分為兩種:一種技術(shù)方法是基于空間信息的城市三維建模方法,是基于測(cè)繪行業(yè)形成的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)(DLG)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、遙感影像數(shù)據(jù)(DOM)等資源,形成反映空間形態(tài)的三維模型。另一種技術(shù)方法是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的城市三維建模方法,是以景觀設(shè)計(jì)的視覺(jué)感受為出發(fā)點(diǎn),將地物分別作為建模對(duì)象,最終形成逼真視覺(jué)感受的三維模型。

兩者進(jìn)行比較,前者的優(yōu)點(diǎn)是能有效利用城市測(cè)繪的數(shù)據(jù)(如DLG、DEM、DOM),能夠精確反映地形起伏特征。能根據(jù)地形信息快速建立房屋及其他附屬設(shè)施的三維模型。缺點(diǎn)是所生成的地表模型只能反映地形起伏的大體特征,無(wú)法表達(dá)地形局部的細(xì)節(jié),還會(huì)導(dǎo)致平坦區(qū)域數(shù)據(jù)的冗余。而生成的房屋等建筑模型幾何數(shù)據(jù)過(guò)于簡(jiǎn)單,紋理也過(guò)于粗糙,所生成的城市三維場(chǎng)景不夠逼真,用戶視覺(jué)感受不佳。后者的優(yōu)點(diǎn)是所制作的三維模型能夠較好地體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)特征和細(xì)節(jié),紋理貼圖逼真,地形景觀逼真,用戶視覺(jué)效果佳。缺點(diǎn)是人工干預(yù)較多,數(shù)據(jù)量大,效率比較低,模型沒(méi)有嚴(yán)格參照地物真實(shí)地理信息,難以保證模型的精度。

2.2 CAD與Creator結(jié)合建模方法

CAD與Creator結(jié)合建模的方法,是基于真實(shí)城市大比例尺高精度地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),嚴(yán)格遵循地塊中地物真實(shí)的三維信息而建立的逼真的三維場(chǎng)景。通過(guò)開(kāi)發(fā)各種人機(jī)交互輔助工具,盡量減少人工干預(yù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。具體方法是:首先在CAD中將房屋、道路及其他小品設(shè)施根據(jù)建模需要進(jìn)行有效提取,提取的信息結(jié)合建模需要可分為面狀、線狀、點(diǎn)狀,例如房屋提取面狀信息,人行道提取線狀信息,小品設(shè)施提取點(diǎn)狀信息,并根據(jù)數(shù)據(jù)情況分層歸類。由于所提取的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)是作為后期三維建模的基礎(chǔ)及參照,所以對(duì)所提取的數(shù)據(jù)需進(jìn)行必要的綜合與加工,這樣不僅能加快建模的速度,而且還能有效控制模型的數(shù)據(jù)量;其次,參考地形中的高程信息,或利用航測(cè)的方法采集高程信息,通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)程序?qū)λ崛〉臄?shù)據(jù)信息賦予高程,并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將其轉(zhuǎn)成建模軟件Creator認(rèn)可的數(shù)據(jù)格式;隨后在Creator中通過(guò)建立模型庫(kù),實(shí)現(xiàn)部分模型的自動(dòng)化建模,對(duì)少量模型進(jìn)行相應(yīng)的拉伸、放樣及貼紋理等精細(xì)化處理;最終將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合在一起,這樣制作的三維模型既能保證模型的地理精度,又提高逼真度,達(dá)到良好的視覺(jué)感受。具體操作流程如圖1所示:

圖1 快速建模流程

3 城市地塊快速建模實(shí)例

地塊快速建模內(nèi)容主要包括建筑建模、地形建模、道路建模和小品及附屬設(shè)施建模等,以下分別介紹各類要素建模的方法。

3.1 建筑建模

建筑建模,首先在CAD中參照高精度基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)及竣工資料,提取建筑的幾何特征信息及高度信息。城市大比例尺地形圖一般對(duì)建筑,特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層房屋表達(dá)都比較詳細(xì),進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩崤c綜合,并根據(jù)結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)膭澐?這樣建立的建筑模型在不影響良好視覺(jué)效果的前提下,才能有效控制建筑模型的面數(shù)。對(duì)于要求較高的精細(xì)模型,建筑的樓頂結(jié)構(gòu)及高度信息,可利用城市大比例尺航空攝影資料,從立體模型中進(jìn)行采集。將提取的建筑的幾何及高度信息,導(dǎo)入到Creator中,根據(jù)提取的建筑平面及高度信息首先做出建筑的體塊模型,其次對(duì)屋頂及其他附屬設(shè)施進(jìn)行細(xì)節(jié)加工,制作出建筑及其他附屬結(jié)構(gòu),提升建筑模型的效果。最后是進(jìn)行建筑模型的紋理貼圖,包括建筑側(cè)面及頂部的紋理。建筑側(cè)面的紋理可采用街景攝影及實(shí)地拍照獲取。建筑頂部紋理可參照城市高分辨率正射影像圖,采用類似的屋頂素材進(jìn)行貼圖,建筑建模過(guò)程如圖2所示:

圖2 建筑建模過(guò)程圖

3.2 地形建模

地形建模是用于表示地面起伏形態(tài)的三維建模。地形建模一般有兩種方法,一種是采用DEM疊加DOM的方式建模;另一種方法是根據(jù)地形圖、遙感影像、激光掃描點(diǎn)云或?qū)嵉夭杉臄?shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用交互式CAD建模或激光點(diǎn)云建模的方式制作。從城市精細(xì)建模要求出發(fā),城市地形建模一般宜采用交互式CAD建模的方法。城市地形模型一般包括河流、廣場(chǎng)、內(nèi)部道路、花圃、池塘等。由于地形模型形態(tài)各異且沒(méi)有規(guī)律性,所以都需單獨(dú)進(jìn)行建模。地形元素的平面信息通過(guò)參照地形圖及高分辨DOM進(jìn)行提取,按建模內(nèi)容的不同,在CAD中將地形劃分成若干無(wú)縫銜接的封閉區(qū)域。地形元素的高度信息通過(guò)對(duì)地形圖及航測(cè)立體模型采集地形的特征點(diǎn)及特征線來(lái)控制。參照信息可分層進(jìn)行存放,待將這些參照信息導(dǎo)入建模軟件后,同類地形可進(jìn)行統(tǒng)一建模及處理。對(duì)于內(nèi)部道路、花圃、池塘等的立面建模,可在Creator中先建立標(biāo)準(zhǔn)的斷面模型,通過(guò)放樣的方式快速便捷地建立起相應(yīng)的模型。地形建模過(guò)程如圖3所示:

圖3 地形建模過(guò)程圖

3.3 道路建模

城市道路的起伏狀況及道路細(xì)節(jié)的可視化,可明顯增強(qiáng)道路模型的真實(shí)性和逼真性,其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是如何確定道路模型要素真實(shí)的空間關(guān)系以及如何生動(dòng)地表達(dá)道路細(xì)節(jié)。道路建模時(shí),可參照高精度基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)及高分辨率影像數(shù)據(jù)提取道路建模相關(guān)內(nèi)容,包括:路邊線、路面、道路中心線、交通護(hù)欄、隔離帶及路面標(biāo)線等信息。道路信息的空間信息可通過(guò)賦予提取的道路模型要素真實(shí)的高程信息來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)開(kāi)發(fā)各種人機(jī)交互輔助工具,在CAD中將具有高程信息的道路中心線通過(guò)程序,統(tǒng)一對(duì)提取的道路要素賦予高程信息。城市中的高架及立交橋等較復(fù)雜的道路處,除地面上的道路信息需提取外,架空處的道路信息也需單獨(dú)提取建模。將具有高程信息的道路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入Creator中,通過(guò)新建Box或放樣等方法建立道路模型。高架及立交處建模時(shí),還需注意道路地面及架空處的銜接。最后進(jìn)行道路模型的紋理貼圖,城市道路的紋理比較單一,可制作相應(yīng)的素材庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的紋理貼圖處理。道路建模過(guò)程如圖4所示:

圖4 道路建模過(guò)程圖

3.4 小品及附屬設(shè)施建模

小品及附屬設(shè)施數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息,可在CAD中利用大比例尺地形圖及正射影像圖(DOM)進(jìn)行提取,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。為了達(dá)到快速建模的效果,我們制作了專門的小品模型庫(kù),如路燈、行道樹(shù)、公交站臺(tái)、自動(dòng)售貨機(jī)、交通崗?fù)さ?并進(jìn)行相應(yīng)的紋理貼圖。參照高精度基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)及高分辨率影像數(shù)據(jù)提取小品及附屬設(shè)施數(shù)據(jù),并進(jìn)行分層分類,我們?cè)贑AD中,通過(guò)開(kāi)發(fā)程序?qū)⒎诸惖男∑窋?shù)據(jù)與小品模型庫(kù)作相關(guān)的對(duì)應(yīng)與轉(zhuǎn)換,并賦予高程及角度等信息,將其保存為Creator認(rèn)可的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入Creator中。在Creator中,進(jìn)行相應(yīng)的模型與貼圖鏈接,模型就可批量自動(dòng)生成。自動(dòng)生成的模型具有統(tǒng)一性,為了增強(qiáng)小品模型的逼真性,還需對(duì)模型進(jìn)行高度及真實(shí)紋理等細(xì)節(jié)的調(diào)整。小品及附屬設(shè)施建模過(guò)程如圖5所示:

圖5 小品及道路附屬設(shè)施建模過(guò)程圖

3.5 模型接邊整合

地塊中的各類模型在制作時(shí)沒(méi)有順序之分,都可獨(dú)立完成,但又必須完整地融合在一起。在分類建模完成后,以建好的地形及道路模型為基礎(chǔ),對(duì)建筑和小品及附屬設(shè)施的起點(diǎn)高程作細(xì)微的調(diào)整,使整個(gè)規(guī)劃地塊內(nèi)模型的空間關(guān)系更加精確、真實(shí)。地形及道路模型的相交處作也需作相應(yīng)的調(diào)整編輯,保證地塊模型的完整性與合理性。

3.6 模型烘焙

對(duì)制作完成的模型進(jìn)行光影烘焙,可大大增強(qiáng)城市三維表達(dá)的真實(shí)感。烘焙采用統(tǒng)一的燈光參數(shù)設(shè)置,對(duì)地塊中制作的各類模型進(jìn)行光影處理。并對(duì)烘焙后三維場(chǎng)景光影效果進(jìn)行調(diào)整,已達(dá)到整體美觀、逼真的效果,如圖6所示。

圖6 規(guī)劃地塊三維模型全景圖

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,本文介紹的城市三維建模方法及流程能較好地實(shí)現(xiàn)城市快速精細(xì)建模的需求,并能滿足模型制作的準(zhǔn)備性和真實(shí)性要求,經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明該方法是可行和有效的,該模型制作方法有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處:

(1)建模過(guò)程中,以城市大比例尺地形圖為基礎(chǔ),有效地保證了三維模型的精度。

(2)通過(guò)開(kāi)發(fā)各種人機(jī)交互輔助工具,對(duì)建模參照的基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)賦予高程,有效實(shí)現(xiàn)了三維模型真實(shí)的空間關(guān)系。

(3)提出并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化較高的小品及道路附屬設(shè)施三維建模方法,該方法有效提高景觀小品建模的效率。

但由于上述的方法及流程還處初級(jí)應(yīng)用階段,還有許多有待于提高的地方,主要有兩方面內(nèi)容:

①地形、道路建模時(shí),為真實(shí)反映地面高差,采用對(duì)根據(jù)基礎(chǔ)地形提取的特征線賦予高程值,再導(dǎo)入creator進(jìn)行建模,這樣建出的真實(shí)高差的地面模型比一般水平的建模方式會(huì)增加幾倍的數(shù)據(jù)量,會(huì)減弱系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性。因此,如何使地面模型即反映真實(shí)高差情況,又使數(shù)據(jù)量最小,還需反復(fù)地試驗(yàn)和總結(jié)。

②雖然通過(guò)上述的方法已較好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的建模方法,但如何根據(jù)地形數(shù)據(jù)在Creator中更大程度地實(shí)現(xiàn)快速、便捷、自動(dòng)化的建模方法,還有待今后的摸索與研究。

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Research of City 3D Modeling Method Based on CAD and Creator

Chen Ling
(Changzhou Surveying and Mapping Institution,Changzhou 213002,China)

This paper presents a three-dimensional city modeling method,namely the use of the existing urban basic geographic information resources,with the help of CAD and Creator software platform,through the development of various auxiliary tool for human-computer interaction,combined with specific technical processes to achieve both accurate and beautiful city 3 d fast modeling techniques.An actual plot is used to modeling as an example,detailed describes the plot in the building,ground,road,and other kinds of objects modeling specific modeling method,This method can not only improve the efficiency of city 3 d modeling and 3 d model to ensure the city real and beautiful effect.

CAD;creator;city 3D;rapid modeling

2014—03—25

陳玲(1979—),女,工程師,主要從事航空攝影測(cè)量、城市測(cè)量工作。