三維虛擬城市景觀建模技術研究

許麗杰 田峰

摘要：本文主要探討了基于CAD設計施工圖和普查獲取的城市園林景觀GIS數據的三維可視化技術思路，具體敘述了相關的技術方法和流程。

關鍵詞：三維建模；城市景觀；虛擬城市；CityGML

所謂的“虛擬城市” 是指運用3S技術（遙感RS、全球定位系統GPS、地理信息系統GIS）、遙測、仿真虛擬技術等現代化技術，以寬帶網絡為紐帶，并應用計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，模擬和表達城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市環境中的現象和過程。城市三維景觀中涉及多種地物模型和地形模型，而地形模型是其中必不可少的一類特殊模型，是城市實體的三維空間基礎。

1 虛擬三維城市模型系統數據

CityGML是虛擬三維城市模型系統數據庫的結構設計主要邏輯，其主要是對三維數據進行儲存和管理。當前，主要的數據類型主要有：地籍數據和航空影像；DTM（數字地型模型），20 m精度部分作為框架數據，高分辨率DTM作為三維城市模型的核心數據，特殊地區用TIN建模；對建筑物而言，在三維模型中可以把它當作一個cityObjectMember來看待，它的空間屬性并不是非得與LOD2層次的數據描述相同。建筑物模型數據，采用激光掃描或攝像測量方法在大約250 km2范圍內對建筑物進行三維重建，建模工具主要通過數據CAD或3D MAX轉換成為CityGML格式。

2城市園林景觀三維可視化應用

2.1在城市園林景觀中，一般情況下所以園林中一部分為建好的，一部分為在建的，在這些區域的數據源多對應現狀是普查GIS數據庫和CAD設計施工圖。設計者為了表達城市園林景觀的設計理念和意向的各種分布形態，把CAD設計施工圖的數據源中把地形地貌平面、豎向規劃、小品平面位置及鋪裝、植物的分布等所對應。

2.2城市園林景觀GIS數據的現狀地形圖的獲取普查是現狀建成數據的主要來源。其中，按照綠化分類普查的GIS數據主要有：公園綠地在內的面狀數據和對應的屬性關聯子表，通過“綠地細斑代碼”屬性字段進行關聯。

3 三維虛擬城市景觀專題模型

3.1 DTM模型。三維城市建模中地形是最重要的一部分，需要CityGML用起伏要素（ReliefFeature）來描述，其中，每個起伏要素對象可以對某塊地域內的地形起伏來描述。具體表現為：規則格網和不規則三角形以及質點集和斷裂線等。斷裂線主要表示為地面上不連續的部分，幾何上一般以三維曲線來變現。這四種地形表現形式在CityGML數據集中可以隨意組合。首先，在不同的LOD中可以出現不同類型的精度與分辨率做出反映。其次，不同組合方式可用來描述每塊地表。值得注意的是，此種情況下不規則三角網與斷裂線必須縫合。再次，相鄰的地域可以以不同的形式來分別表達。為了能便于組合不同地域地形比，各個起伏要素對象可用一個二維多邊形來指定其有效范圍，這種方法可以讓地形在不同精度時便于拼合。

3.2建筑物模型。CityGML就是建筑物模型的核心，它是對建筑物的組成和附屬部分的空間和專題特征的表達方式。其中AbstractBuilding類是該模型的樞紐，它是CityGML的子類。而BuildingPart和Building類是AbstractBuilding的派生類。即建筑物建模時把某一部分的建模視為抽象“建筑我對象”。另外，一個復雜建筑物對象（BuildingComplex）的一部分也可以是一個Building對象。當考慮不同LOD層次的地形數據和建筑物模型數據疊加時，建筑物和地形的集成是三維城市建模的一個重要問題。因此，（TerrainIntersection）的概念被引入了建筑物和地表面發交叉曲線，該曲線可以精確地對建筑物和地表面的結合位置進行描述，形成一個煥然建筑物的閉環。如：當有的建筑物包含有院子時，則該曲線可以形成兩個閉環來組成，其他建筑物的描述也是以此方式來描述的。當集成時，為確保紋理的準確定位，應把采取拖拽的方式把建筑物和地形表面的拖至與交叉曲線完全吻合的為止。

3.3細節層次模型（LOD）。根據處理和分析多元數據的展示需要，CityGML可以分為5個細節層次的精細程度來描述三維城市。其實2.5維的DTM數據既為LOD0，其可以再2維地圖和航空影響上以相互疊加的方式來使用。LOD1所描述的建筑物是呈塊狀形的。LOD2則是主要描述建筑物的屋頂、紋理和植被對象等。LOD3所描述的對象主要是建筑物的結構層次。另外高分辨率的紋理也可以在這些結構面上相互疊加。LOD4層次主要對房間的內部結構進行建模。細節層次的不同點位的精確度也不同。因此，城市的三維數據集質量可以以LOD的級別來評價。用戶也可以根據自己的需求，隨意選取合適的建模層次。在同一對象可以在一個CityGML數據集中上以不同細節層次來表示，而兩個數據集中也可以分別把同一對象的不同細節層次放在一起。細節層次模型既便于三維對象可視化展示，也便于多源數據的集成。

3.4幾何拓撲建模。CityGML可以用0～3維基本幾何元素分別為點、邊、面、立體等邊界表達的方法對專題對象的空間屬性進行幾何拓撲建模。其中，邊、面、立體等基元可以聚合成為弧聚合體、面聚合體、立體聚合體。CityGML要求必須確保模型的點、邊、面、立體基元及聚合體的一致性，滿足完整性約束。并確保拓撲關系清晰性，消除數據冗余，如相離的兩個立體基元之間，那么它們兩者的體積加在一起就是其體積的總和，相反兩個交叉的立體基元的體積計算則非常麻煩。

3.5幾何語義建模。CityGML實現了對空間對象的幾何拓撲屬性和語義進行一致性建模。在語義特征上，CityGML以專題模型描述建筑物的屬性和層次關系等幾何拓撲對象。CityGML模型有語義和幾何拓撲兩個層次體系，其優點是便于在各自層次體系中分別遍歷或者相互遍歷。

3.6建筑物建模。在一般的三維景觀中，因為城市中建筑物種類繁多，結構用途各異組成最重要的部分；城市不同建筑風格不同。反映出一個城市的特色可以在特定地段以獨特的建筑物及其所處的環境來反應。所以，景觀模型的主要表達內容是城市建筑物。由于CAD矢量數據中建筑物等的屬性信息不完善，因此，建筑物的高度信息需要查找相應的建筑物樓高資料，以獲得準確的樓高信息，保證模型的精確性。導入的CAD底圖中，構成建筑物的很多線不閉合，需要沿著建筑物的輪廓線重新描線，由線構成面，并根據建筑物高度賦予相應的高度值。

3.7道路建模。根據道路的表現形式不同可以將道路分級建模。級別低的道路如小路、內部道路等，可以貼近地面建模，而高速路、省道、國道等建模時則要高出地面相應的距離。道路建模時采用先高后低、高低有序原則，即先建級別高的，后級別低的，由高到低。重新描線時將道路封閉為多邊形，并做相應級別高度的拉伸，建立道路框架。城市道路表現路面的同時，還主要表現道路附屬設施，如路燈、柵欄、公交站臺、指示牌等道路小品，這需要在建模軟件中精細建模或者獲取模型庫中的模型。

4 應用三維虛擬城市景觀建模技術需注意事項

4.1由于城市測量時地類地物的分層與三維建模時數據的分層略有不同，同時，不編輯和修正的大比例尺地形圖圖層較多，如果直接將其導入到軟件中，不僅會對整個場景的美觀產生影響，還會在建筑物的三維建模中受到干擾。因此先需要對CAD數據進行處理，以滿足三維建模的需要。

4.2在三維城市建模中，根據建模精度的不同，地類地物的細節表現也不盡相同。在城市三維建模中，主要表現道路、河流、綠化等地類地物及其附屬設施。因此在建模之前需要對現有的矢量數據進行處理，主要包括：減少數據的冗余，刪除不必要的注記、控制點、高程點、等高線，清理不需要的圖層；將點，線的高度屬性統一改為0，防止有飛線，飛點產生。必要時需要手動修改點、線，將其高度屬性改為0，將建筑物，道路，河流，綠化等信息分層設色，同時檢查線狀地物是否有重疊、懸掛等情況并加以修正。

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