城市三維仿真建模

張東霞，謝文寒，張繼賢，梁勇

（1.中國測繪科學研究院，北京100830；2.山東農業大學，山東泰安271018）

城市三維仿真建模

張東霞1，2，謝文寒1，張繼賢1，梁勇2

（1.中國測繪科學研究院，北京100830；2.山東農業大學，山東泰安271018）

城市三維仿真模型的構建對于智慧城市建設具有重要的意義。該文詳細介紹了3ds max在城市三維仿真建模與貼圖中的應用，總結了建模過程中模型優化的方法。在建模工藝流程方面，不僅涉及建筑物，還對地形、交通路網、植被及附屬設施等在內的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出闡述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法。最后指出本方案的適用范圍，并將近景攝影測量技術與專業建模軟件相結合作為下一步的研究目標，以期實現自動化或半自動化建模。

3ds Max；三維模型；紋理貼圖；模型優化；智慧城市

0 引 言

智慧城市全球峰會上提出了“構建智慧地球，從城市開始”［1］的思想，使得城市越來越成為創新的中心。智慧城市建設作為提升城市競爭力及解決城市發展問題的重要途徑［2］，已成為目前城市進步的重要手段與標志。在國外，如巴塞羅那智慧城市建設的主要驅動力是培育城市的競爭力［3］；“智慧首爾2015”的目標是把首爾建成全球五大最具城市競爭力的“ICT之都”之一［4］。國內也于2013年展開了以武漢、重慶、臨沂等9個城市為試點的智慧城市建設工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎，服務于城市規劃、管理、宣傳、選址、設計、項目審批、地下空間管理、應急指揮、城市旅游等方面［5］，已成為貫穿整個智慧城市建設始終的重要技術。

目前三維城市仿真模型建模方法主要有：基于二維GIS的三維城市建模方法，基于CAD的三維城市建模方法，基于遙感影像的三維城市建模方法和基于激光、雷達的城市建模方法［6］。城市三維模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路網模型、植被模型、附屬設施模型及其他模型。其中，建筑作為城市的主題，其建模方法已被大量研究；而智慧城市建設已對整個仿真模型提出了精細化要求，必須對城市地形和其它地物模型也進行精細重建。

3ds max具有可操作性強、直觀、方便易學、制作模型逼真、質感強等特點，在建模精細程度上有很大優勢。它具有強大的點、線、面、幾何體編輯功能，能夠精準確定模型的位置和尺寸，建模完成后還可以對模型的高度、底面大小等參數進行修改，從而生動描述對象的細節特征［7］。基于此，本文以3ds max為主要建模工具，不僅列出建筑物精細模型的構建方法，而且從生產實踐的角度研究了城市地形、植被、路網、附屬設施等模型制作方案，對城市全景三維仿真的基本技術和優化方法進行研究與探討。

1 城市三維仿真基礎數據采集與建模

智慧城市建設中，模型集成入庫前的工作基本包括4個模塊：數據采集、模型建立、紋理映射、模型優化。具體作業流程如圖1所示。

圖1 城市三維建模作業流程圖

其中在單個對象模型建成后，要先核對模型與外業取景得到的圖片所示是否一致，觀察其位置、尺寸、進退層次關系等是否符合現狀。只有和實際地物一致的模型才可以進行貼加紋理單元。

1.1 基礎數據準備

城市規劃區的數字高程模型依據規劃設計總平面圖制作，地表材質信息根據規劃設計方案的景觀設計從材質庫中選取相應圖片。城市建成區的數字高程模型采用1∶500地形圖，利用數碼相機實地拍攝的照片制作紋理。其他區域的數字高程模型采用1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖，地表紋理信息采用1∶2000真彩色正射影像或高分辨率彩色衛星影像圖片［8］。通常在建模前需根據實際需要，對地形圖或規劃圖中的信息進行篩選、精簡，遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層，保留建筑物、標注、草地、樹木等所需圖層［9］。同時設置系統單位為米，導入上述數據后執行“成組”與“凍結操作”，方便模型繪制。

1.2 三維仿真模型的建立

抗N-甲基-D-天冬氨酸受體腦炎12例臨床和EEG分析 ………………………… 馬美剛，吳原，陳志穎 137

立體模型通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模［10］，實際生產作業中，我們使用多邊形建模最為簡便快捷，靈活運用3ds max軟件的擠出、輪廓、倒角、放樣、捕捉、軸約束等命令制作模型。為便于入庫與統一管理，在模型制作前要依次建層：bui（建筑物）、floor（地形）、Alpha（灰度通道）、app（小品、附屬設施）、road（交通路網）、plant（植被）和other（其他）層。下面以實際建模工序依次介紹本文模型的建立方法與特點。

（1）地形模型。地形三維模型包括山體、水系、水涯線、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線等地形地貌。可采用以下兩種方式建模：第一類是采用三維地形數據自動生成三維模型，并疊加數字正射影像來表達，即DEM＋DOM模式；第二類是采用3ds max交互進行精細地形模型制作：參考地形圖上采集的高程點信息制作地形模型，由外向內逐塊恢復。在地形起伏較大的區域，選擇逐小塊進行延伸，反之可采用大面積高程相差不大的區域恢復方法。利用逐高程點的恢復方法能夠準確反映地形起伏的真實風貌。

（2）交通路網模型。包括道路、軌道交通及橋梁、道路附屬設施三部分。路網之于城市，就如血管之于人體，只有當路網準確無誤地構建出來時，我們才可以確定各地塊的大小范圍，從而進行下一步的分工合作［9］。一般在城市區域的三維建模任務中，主干路網由專人完成，路網周圍地塊的總體模型制作好以后再由作業員合并到路網模型進行接邊處理。接邊處理的過程即是地表建筑、附屬設施等地物與地形匹配的過程，將在2.3節詳細介紹。

（3）建筑模型。對于作為城市主體的建筑物模型來說，不僅要依據CAD底圖來制作，還要根據照片來分析建筑物的方位、體量以及精細結構，以此來權衡模型與貼圖之間資源的占用率和工作效率。一般建模時先根據CAD地形圖描出輪廓，擠出“火柴盒”式幾何模型，再根據照片分析出的各個立面的進退層次關系、屋頂結構等制作出貼合實際的精細模型。

（4）植被模型。包括在道路兩旁成行栽植的行道樹，在小區、綠地、公園種植的景觀樹木，在綠地種植的灌木、花草，其他植被。實驗表明，樹及盆栽模型的制作采用基于交叉圖像的建模方法，即制作一定高度的十字交叉面，通過對十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來表現，一方面在視覺上彌補了單張固定照片的缺陷，同時又降低了因圖像轉動而需要的計算量［11］。草地直接按照路的造型擠出平面，通過后續貼圖完成模型制作。

（5）其他。附屬設施以及上述未包括但需要在三維場景中表現的部分如通信基站、高壓線走廊等，建模方法更為繁瑣，一般生產中都是通過材質庫來輔助實現，在材質庫中索引到和實際相同或接近的實體，通過場景融合、移動、旋轉等操作來建模。

1.3 三維場景材質設計

在進行外業取景拍攝時，受拍照時間、角度、光線等影響，極易在亮度、色調、飽和度等因素上產生差異，而這些差異的存在反映在貼圖上將直接影響整個系統的整體表現［12］；同時受拍攝角度的限制、樹木等摻雜因素影響需要進行修復、裁剪等處理。因此在紋理映射前，需要用專業的圖像處理軟件PhotoShop對外業采集的圖片進行正射糾正、調色、修復等處理，實現模型紋理數據表現效果的和諧與統一。

需要注意的是，在城市精細模型表現中，帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽臺、廣告牌、樹等有一定通透性的模型要表達的逼真，需要借助Alpha通道來實現。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實際不透明物體，存儲為通道。其白色部分在場景中正常顯示，黑色部分透明顯示，灰色部分將半透明顯示，這時我們將此灰度通道單元保存為tga格式。

1.4 模型優化

事實上模型優化工作貫穿建模及貼圖始終。對于三維模型，面數直接決定表現效果。就理論而言，三維模型面數越多，其表現越細膩、越貼近真實。但在三維虛擬場景中，畫面運行的每一幀都是借助CPU和顯卡實時計算得出，如果模型和面的數量太多，將導致系統的運行速度急劇降低，甚至無法正常工作［10］。因此減少不必要的面片是質檢工作至關重要的部分。在建模過程中就應該刪除多余的點、線、面及放樣體等，如用六或八邊形代替圓形、合并三角形、使用紋理表現多邊形造型、使用單分量（灰度圖）紋理代替多分量紋理等方法，對具體地物進行模型優化。

2 城市區域建模實例

2.1 實驗區概況

重慶市勘測院位于市內江北區，屬于丘陵、山地混合地形，地面起伏較為明顯，地面植被覆蓋均勻，建筑數量及分布適中、色調鮮明，是三維仿真建模的典型素材。建模基礎數據采用1∶500比例尺的地形圖，紋理數據采用Canon PowerShot SX30IS數碼相機逐景拍攝取得。

2.2 實驗區建模過程

經分析對實驗區內的地物建模從道路部分開始制作。為了和實際地形起伏相符合，利用地形圖上已測高程點，在頂視圖中，創建“線”命令描出小段道路，閉合樣條線并轉化為可編輯多邊形，選中路延伸方向的一條邊，拖拽“擠出”到下一采樣高程點，輸入高程值，依次進行。對于道路拐彎處應選中多邊形對邊，進行“連接”操作，給定合適數量的分割數并連接，然后在點編輯模式下通過調節節點做出路的造型。主干道制作好后，可通過放樣、輪廓、擠出等命令制作道牙、人行道道路附屬及路邊花壇等造型。至此制作出的模型結果如圖2所示。

圖2 區域道路及花園模型制作示意圖

制作好區域“骨架”后，接下來就是建筑模型的繪制了。在頂視圖中勾出建筑“火柴盒”式輪廓后，再進一步制作精細模型。制作精細立面及屋頂造型主要用到“快速切片”“裁剪”和“倒角”等命令，將不同表現的模塊分在不同的面上，便于貼圖。建筑高度擠出數量首先參考地形圖上的屋頂標高，沒有標高的要按照實際體量進行估算。重要建筑的坡屋頂需制作帶厚度的屋檐，普通建筑的坡屋頂可以不用制作屋檐；女兒墻需用實體制作，厚度應根據建筑的大小而定，一般在0.2m～0.8m之間；靠近樓體、沿街的大型廣告牌及重要結構需實體制作。為了減少模型復雜度，提高其在平臺上的運行效率，一般建（構）筑物表面突出少于1.5m的可以不用制作，而是用貼圖來表現。某棟建筑簡模及精細模型對比如圖3所示。

圖3 由簡單模型制作精細模型示意圖

模型制作完成后，根據外業取景制作符合要求的紋理單元。對原始圖片進行正射糾正、復原、調色等處理前后示意圖對比如圖4所示。

圖4 部分紋理單元制作效果圖

其中建筑物頂部紋理可以近景拍照取得，也可以直接從遙感相片中根據坐標提取得到，由于不存在遮擋，提取信息量足，所以效果較好［15］。生產中我們使用UVW修改器進行貼圖。普通紋理單元在應用給場景時，直接將紋理圖片拖入場景，給定材質U、V值，用BOX方式或法線匹配調整使之適應。帶有Alpha通道的紋理單元應用時要借助于渲染器中的材質球，設置完成后“將材質指定給選定對象”即應用到場景。再設置UVW修改器中的參數即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時應注意觀察整個場景的色調應風格統一、明暗適中。

2.3 實驗區模型優化

模型優化應檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質感等，地形模型真實性，貼圖的合理性，植被模型類型的正確性，附屬設施模型的正確性及協調性等方面。模型建好后還要逐一檢查地面與地面建筑等地物之間的匹配，特別要注意模型與路網接邊是否符合要求，路口處理的合理性，區塊之間的接邊情況，包括模型接邊以及貼圖紋理是否合理、道路兩邊地物的協調性。

由于3ds max本身的局限性，場景規模過大時實時漫游較為困難，因此小場景的質量檢查可以直接在Max中進行，大場景模型的質檢就需要借助MultiGen Creator軟件進行三角形簡化［16］。生產中較常對已創建的模型頂點和多邊形數據進行精簡處理：①刪除不可見多邊形，刪除模型中那些任何視點都不可見的多邊形，如某些多邊形的背面、平面模型的底面、幾何體內部的細節結構等；②合并多邊形，對于有共同邊界及在同一平面上的多邊形，要進行合并操作，以減少節點及面片數。梁波在文獻［17］中給出了詳細指導。MultiGen Creator是專門為復雜虛擬場景實時漫游設計的建模工具，本身不適合精細建模，但對于較大場景地理環境的生成及瀏覽具有絕對的優勢［18］。但不管哪個軟件質檢，需要檢查的項目都是一致的。基于上述理論做出的重慶市勘測院周邊三維仿真模型整體如圖5所示。

圖5 重慶市勘測院三維仿真效果圖

3 結束語

本文闡述了城市街景三維仿真建模方法，總結了生產作業中的經驗事項，不僅涉及建筑物，還對地形、交通路網、植被及附屬設施等在內的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出論述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法，為類似項目的模型制作提供一定的參考。目前城市三維仿真建模方法正在全速發展中，基于3ds max的建模方法適用于智慧城市精細模型制作。它雖滿足了我們對模型精細度的需求，但需要外業勘測、拍照，內業數據處理也是一項較為繁重的工作，因此尋求新的輔助建模的方法勢在必行。接下來，將以“最大限度地利用外業拍回來的照片提取更多有用信息”為切入點，重點研究近景攝影測量得到的相片有用信息的提取與利用，將近景攝影測量與3ds max軟件相結合，尋找一種更為完善的方法進行城市三維模型重建與紋理映射。

致謝：本文所用實驗數據由重慶市勘測院空間信息所提供，特此感謝。

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Three－dimensional Model Based on 3ds Max in Virtual City

ZHANG Dong－xia1.2，XIE Wen－han1，ZHANG Ji－xian1，LIANG Yong2
（1.Institute of Photogrammetry and Remote Sensing，Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing100830；2.School of Information Science and Engineering of Shandong Agricultural University，Taian271018）

It is significant for smart city to construct the three－dimensional model.This paper described the application of 3ds Max in modeling and mapping of virtual city，and discussed model optimization techniques.At the same time，skills and methods to modeling including building，floor，road－network，plant and appurtenance，etc.were researched as a practical production.This paper put forward some effective methods of edge matching problem between various street features.In the end，the paper pointed out the range of application，and proposed a plan about the combination of close－range photogrammetry technology and professional modeling software to realize automated or semi－automated modeling in the future.

3ds Max；three－dimensional model；texture mapping；model optimization；smart city

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.022

TP391.9

A

1000－3177（2015）140－0125－05

2014－03－13

2014－10－12

國家自然科學基金資助項目（41271395）。

張東霞（1988—），女，碩士研究生，研究方向數字攝影測量技術與應用。

E－mail：zhangdongxia1030＠163.com