淺談數字城市中三維建模方法及其應用發展

方超

【摘要】三維城市模型包含了建筑物三維結構模型、建筑物紋理貼圖、數字高程模型、地面紋理影像等多種數據，首先對城市的地形地物進行測量，獲取建筑物和地面的結構信息，高度信息和紋理信息，再通過三維可視化軟件制作成三維仿真景觀模型。本文闡述了數字城市建設的現狀及其內容與技術、三維數字城市模型的構成及分類，對三維數字城市模型的建模方法及其應用發展進行了論述分析。

【關鍵詞】數字城市；三維數字；模型；構成分類；建模方法；應用發展

三維城市模型是以三維數字技術為基礎，給城市建設帶來了數字化的思維及設計方式，更為城市的規劃和管理提供方便、直觀、可行的平臺。隨著科技的發展，三維數字技術發展會越來越快，其作用也將越來越大，有著良好的發展前景。

一、 數字城市建設的現狀及其內容與技術

1、數字城市建設的現狀。據統計，全國有將近700個大、中城市，約有30000個小城鎮已經開展了"數字城市"建設工程。"數字城市"作為城市信息化建設的關鍵環節，涉及到城市規劃、管理、文化、經濟等社會生活各領域。

2、數字城市建設的內容及技術。（1）數字城市建設主要包括：建立由城市空間基礎信息平臺、城市綜合信息平臺和城市電信基礎平臺組成的核心系統，通過該系統的正常運轉實現信息的共享；建立應用系統；建立網絡與信息接入設備，通過這些設備可以直接面向終端用戶服務；建立政策法規與保障體系，該體系能夠為數字城市的建設及運行提供法律、經濟、標準、組織和管理等方面的保障；（2）數字城市建設的信息支撐技術主要包括遙感技術、全球定位系統（GPS）技術、地理信息系統技術、城市綜合功能GIS技術、數字城市的管理信息技術、虛擬技術、數據庫建設技術、元數據和寬帶網絡等，可以將這些技術進行組合應用，最終達到城市空間數據的獲取、分析、歸納及整合；（3）數字城市的服務對象主要包括政府，企業，社會以及公眾四方面。

二、 三維數字城市模型的構成及分類

三維數字城市模型主要由基礎數據，三維模型，運行環境（包括硬件環境和軟件環境）及三維投影設備組成。

1、模型的總體構成。城市三維地理信息服務系統通常使用B/S模式，Web服務器可以完成數據的發布服務器與使用終端的無縫鏈接，并在瀏覽器環境下為用戶提供正常的數據瀏覽以及查詢服務。城市三維地理信息服務系統的應用體系一般由數據層，功能展示層，應用服務層構成。（1）數據層。數據層一般是利用地形數據融合軟件，將遙感影像數據和高程數據融合成三維場景，再經過壓縮處理后形成地形文件（MPT），再以數據流的方式被讀取出來。WFS（WebFeatureService）和WMS（WebMapService）會被進行規范化處理，通常以OpenGIS數據服務接口進行規范，并提供二維數據服務。（2）功能展示層。功能展示層可以提供完整的用戶界面，支持系統完成三維地理信息的瀏覽、查詢、分析以及展示等功能。同時，還可為其他增值業務提供一些擴展接口，滿足未來的業務擴展需要。（3）應用服務層。應用服務層是通過空間數據網絡提供三維數據的服務接口，提供各種行業的使用服務。例如公共安全，交通國土資源，水利，虛擬旅游以及電力能源等領域。

2、模型分類。（1）地形地貌三維模型。為了將地形的高低起伏狀態真實地模擬出來，通常是利用基礎測繪數據，如帶有高程值的數字線劃圖，建立地面高程模型（DEM），再根據具體的制作要求作成不同的高程模型。一般情況下，正射影像（DOM）的數據可通過一些影像的數據分析得到，這些影像具有不同的分辨率，主要影像有遙感影像、高分辨率的航空影像、低空攝影及近景攝影等?？梢愿鶕筮x擇不同的影像數據，再根據統一的空間參考系，將正射影像疊加到地面高程模型上，這樣就得到了一個真實反映地形地貌的三維模型。

（2）現狀建構筑物三維模型。作為三維模型中的重要組成部分，現狀建構筑物主要由兩部分構成：一類是房屋，道路，人行天橋，橋梁，隧道，堤壩，公園，綠地，樹木等地物要素；另一類是路燈，消防栓，井蓋，公交車站等城市附屬設施。現狀建構筑物模型制作時耗費的工作量大、周期長，因此，在制作模型前應先根據精度要求進行選擇，制作出不同的模型。而對于一些對精度要求標準較低的規則形狀建構筑物，可采用大批量機器建模生產的方法，如果建構筑物頂端紋理較為復雜，可以使用高分辨的影像，進行貼圖處理。

3、規劃設計三維模型。三維模型的規劃設計主要是用來滿足城鄉規劃管理的需要，規劃設計師在三維軟件中進行設計必須與現狀三維模型融為一體，并根據現狀三維模型的真實環境對具體模型進行修改、調整、替換，或在三維仿真系統上重新生成新模型，包括設計和定義位置、朝向、形狀、高度、外部色調和紋理等，這些修改調整都需要在統一的空間參考系中按照比例進行。

三、 三維數字城市模型的建模方法

三維城市模型的主要任務是先對城市的三維環境進行數字化表達，然后進行可視化處理，同時，能夠提供相應的操作與分析功能。目前，城市三維景觀的構建有許多方法，具有代表性以及比較常用的有以下一些類型：

1、基于單純形的3DGIS數據模型物和虛擬城市景觀模型重建法。可以將城市的實體模型按照維數劃分為0維、1維、2維、3維四類，相應地用0、1、2、3的單純形來對應表示構建。同時，將地形作為城市各種建筑物的承載體，用TIN來表示，稱作2.5維，用2DGIS矢量線劃數據來確定建筑物的平面位置，屬性高度、建筑物的側面紋理由數字相機獲取，頂部紋理由航空遙感數據獲得，生成景觀模型；

2、基于航空影像生成城市三維城市景觀。將建筑物按照外形特征分成平屋頂房屋、"人"字型屋頂房屋和復雜房屋，并分別采用不同幾何數據模型進行構建；

3、TIN表達地形法，是用BP、CSG表達以點、線、面、體形式存在的空間實體城市三維GIS數據模型，并在立體空間中逐層引入空間信息，同時，為每個對象建立屬性特征和空間關系；

四、 三維建模技術應用及未來發展

1、三維建模技術應用。（1）用于城市規劃。對城市的未來形態進行預演，消失的城市形態也可以重新模擬出來，并根據規劃成果隨時進行修改，從而獲得城市規劃方案調整的科學依據，使城市規劃更具前瞻性。（2）用于城市管理。三維建模技術可以完成城市災害事件和突發事件的動態模擬，實現城市各類信息的可視化查詢，為政府對城市的管理和服務提供決策。

2、三維建模技術的未來發展方向。由于城市三維景觀主要是人工建筑物，因此，三維建筑物信息的獲取與建模一直是城市建模的主要內容。近年來，一些新的建筑物三維重建方法陸續被提出來，其主要發展方向有以下三個方面：（1）數據的多元化、多線索和多信息的引入及融合；（2）提取過程中知識的運用滲透到從低級到高級處理的各個層次，在識別匹配推理過程中引入較多的人工智能理論與方法；（3）建筑物模型的多樣化，如參數模型、棱柱模型、多面體模型以及構造實體幾何模型（CSG）等，提取策略逐漸由單純的模型驅動或數據驅動轉向二者混合運用。

結束語

三維數字技術是在二維地理信息基礎上制作出的一種三維模型，經過程序開發，已發展成為三維地理信息系統，由于它可以使城市管理者制定更加科學、人文、生態的城市規劃，因此，可被廣泛地應用于國土資源管理、城市規劃、電力、電信、公安、供排水、旅游等領域。

參考文獻：

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