城市三維建模數據獲取及方式研究

曾秀芬++賈振濤++張睿

摘 要：隨著科技的不斷發展，城市的信息化成為了必然的趨勢，數字城市的不斷完善已經成為城市壯大的新的契機，成為城市信息化建設的目標。數字三維城市已成為城市規劃和管理中重要的手段。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 信息化

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0041-02

“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。

1 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。

1.1 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。

1.2 基于2DIGS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。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。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。

1.3 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；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；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。

2 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。可視化技術的運用，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。

2.1 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數據源，這些數據源包括：（1）規劃建筑物的設計圖紙及文檔資料。（2）城市數字地圖（地形圖、地籍圖等）和2DGIS數據庫。（3）攝影測量數據。數字攝影測量不僅可以提供豐富的幾何和紋理數據，而且還可以提供豐富的拓撲和語義信息。（4）遙感數據。高分辨率遙感影像可以為城市3D城市模型的建立提供詳細、豐富的幾何和語義信息數據，是生成正射影像數據和DTM的重要數據源。合成孔徑雷達（SAR）是一種全天時、全天候的微波成像雷達，不僅可以詳細準確地觀測地形地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過地表收集地表下面的信息。（5）混合測量系統。混合測量系統中一個典型就是CCD相機和全站儀組合系統。此系統可用于建筑物立面的掃描及建筑場地的地形表示。此系統適合于建筑物外部和內部數據的幾何和紋理數據的獲取，解決了3D城市模型中內部數據獲取困難的問題。

就當前的應用需求來說，場景三維建模需要的數據主要有：二維圖形、地形數據、地表圖像、三維觀測數據和模型表面紋理等。

2.2 建模方式

目前在數字城市的三維建模中有很多種建立模型的方式。現介紹如下：

（1）使用CAD軟件建模。AutoCAD軟件具有強大的二維圖形繪制功能及編輯功能，是當今二維圖形繪制軟件的主流工具，這是它的優點。但是它在三維圖形建模、渲染處理及動畫制作方面功能較弱，不適合于復雜三維模型的建造和動畫的制作。AutoCAD模型表達精細、精確，有精確尺寸定義，但數據結構復雜、數據量大，不支持與地形的疊加，不支持屬性定義，主要用于工業零部件建模和單獨的橋梁等建筑物建模。（2）常用動畫軟件建模。如3D MAX等，模型表達精細，建模工具豐富，但是數據結構復雜，數據量大，不支持與地形疊加，且不能交互編輯查詢，僅限于動畫瀏覽。（3）專業軟件建模。如MutiGen Creator軟件功能強大，支持大面積地形建模，支持建筑物建模。模型數據結構簡潔，可以在運行過程中進行交互操作，實時計算動畫場景，通過開發，可以與影像、矢量數據、DEM數據等疊加。但表達不精細，數據交互編輯、查詢能力較弱。（4）OpenGL開發。使用OpenGL+VC模式，通過編程的方式建立模型。此方式能大量使用數學曲線、曲面表達三維模型、自定義數據結構、數據顯示算法等。一般用于開發三維基礎軟件。

目前，在實際應用技術中，較為普遍和實際的模型制作是利用3D MAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

2.3 模型的發布與應用

采用提供了二次開發功能的數字城市開發平臺，使用asp.net技術，開發了一套能夠實現對矢量數據、影像數據、DEM、三維模型等多源數據集中管理的三維地理信息發布系統，從而實現三維場景的顯示、漫游、定位、查詢等功能，為決策部門提供輔助決策。

3 應用

本次實驗以“SuperMap”中的三維建模為例。采用3D MAX軟件對建筑物進行三維建模，以及能夠訪問海量數據、具有強大二次開發功能的三維地理信息軟件SuperMap Service GIS作為開發平臺開發演示系統。（如圖2所示）“SuperMap”構建三維數字城市的方案如下：（1）采用正射航空或衛星影像和地表高程數據并利用1∶500地形圖在3D MAX中建立數據集。（2）將數據集文件加載到3d MAX中，并用編輯工具利用數據集中各項數據建立三維建筑物模型及利用本地數據庫中及網絡中加載各類2D信息（如花草，樹木，人物等）。（3）保存工程文件或者打包輸出（KML格式），使它能夠被分配到CD/DVD ROM或發布到網頁上。KML中包含工程中用到的所有的資源，因此，它相對于源文件是獨立的。

4 結論

文章對數字城市中的三維建模關鍵環節進行探討，總結了當前三維建模過程中的主要技術和方法，并以實例的方式實現了三維建筑物建模和發布，結果表明在數字城市建設中，主要把握數據獲取、三維建模和模型的發布與應用三個環節，即能較好完成數字城市工作，使其滿足實際應用。

參考文獻

[1] 朱慶，林琿.數碼城市地理信息系統—— 虛擬城市環境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學出版社，2004.

[2] 胡鵬，黃杏元，花一新.地理信息系統教程[M].武漢：武漢大學出版社，2007.

[3] 成遣，宋偉東，徐愛功，等.基于MAGIS的城市三維可視化系統的建立[J].礦山測量，2005（3）.endprint