基于MapGIS三維數字城市的實現

王星捷

(成都理工大學 工程技術學院,四川 樂山 614007)

基于MapGIS三維數字城市的實現

王星捷

(成都理工大學 工程技術學院,四川 樂山 614007)

隨著硬件設備、信息技術和媒體技術的迅速發展，大規模虛擬地形場景得到了越來越多的關注，三維數字城市的重要性也越來越突出，同時出現了一些技術難點。針對三維數字城市建設中三維可視化表達模型和可視化技術的難點問題，提出了一種基于MapGIS技術的三維數字城市技術，采用了MapGIS技術和Sketchup平臺相結合，通過制作精細的二維地圖數據、三維模型并通過二維地圖數據與三維模型的無縫結合，實現了三維數字城市。具體的實例結果表明，在三維建模、三維模型存儲和三維模型可視化的整個過程中體現出快捷、交互性好、瀏覽效率高等優點，較好地解決了技術的難點。為三維數字城市建設提供了一種新的方法，為三維數字城市的實現提供了技術參考。

三維模型；三維數字城市；MapGIS；SketchUp

0 引 言

在現今高速發展的網絡時代，無論是網絡的快速發展還是人們意識形態的轉變，都發生著相當大的變化，尤其是人們對于維度的改變有了一個全新的認識，以往的二維空間已經不能滿足用戶的各種需求，而火熱上升的三維時代正在被用戶所期待。當一談到三維空間，首先就必須要談到三維數字城市，那是因為三維數字城市[1]是在數字城市所支持的信息、數據等前提條件下，由相應的模型生成技術構建的一種數字化城市的模式。

現階段建立數字城市只是一種常態化的發展形式，并且它與建立三維數字城市是密不可分的，而且也是現實數字城市空間擴展和延伸的一種形象化表現形式[2]。它的構成是一個層次結構，當定義數字城市時，是以最基本的計算機網絡為基礎平臺，從高科技的信息化手段和工具著手，完成由資源、環境到所有三維模型[3]的全過程。在二維平臺基礎上創建三維數字城市，不僅給人們的視覺帶來了全面的革新，而且結合國際、國內的發展模式，也形成了從二維到三維的一個全面升級。

1 系統實現思想

創建三維數字城市必須具備特定條件，包括二維數據制作、三維建模和二、三維數據聯動[4]，具體實現步驟如下。首先，建立二維空間數據信息，通過下載建設區域的數字遙感影像圖，進行精確數字化處理(如矢量化、坐標矯正等)。其次，根據二維數據信息進行三維模型的建立，其中要考慮到多種不同的建筑物、地類符號、建筑輔助設施等，關鍵是要考慮三維模型的大小。最后，進行三維模型的導入，也就是二、三維聯動技術。

文中采用SketchUp三維建模技術，該技術是面向對象設計創作的3D模型技術[5]。在整個制作流程中不僅可以直觀地表達用戶的設計理念，而且可以滿足用戶隨時交流的實時性。二、三維聯動技術采用MapGIS技術，MapGIS K10平臺提供了多種三維平臺的支撐工具，可以根據實際需求選擇合適的工具，能無縫結合二維數據和三維模型，保證場景的直觀逼真，同時能加入燈光和樹木的效果，讓三維場景更加靈活。具體實現步驟如圖1所示。

圖1 系統實現步驟

2 二維數據處理

采集城市相關數據時，就需要找到與城市建設區域圖形完全一致的底圖，并且這個圖形也必須和實際區域圖形是1∶1的平面圖。利用“稻歌”軟件查找相應區域的影像地圖，并確定其位置、大小、地物是否和實際區域的相關信息一致，截取與對應區域的影像圖。為了使后期圖片的數字化過程更容易進行，必須先降低圖片的視點高度值，把圖片影像放大至較高分辨率。

后期處理中，誤差校正的時候需要用到平面直角坐標，然而這樣就要求對截取的影像圖像的坐標進行轉換，采用Envi軟件中Map菜單中的Map coordinate Converter命令進行坐標轉換。

由于線文件是根據原始圖片大小而創建的，在建立模型時就需要創建和原始地物相一致的地物尺寸，因此必須對已經建立好的線文件進行誤差校正，這樣才能使后期的三維模型建立更加地趨于真實化。采用“標尺”工具進行校正。

獲取了遙感影像圖之后，需要對圖進行整體拼接，采用Photoshop軟件，將各個區域的圖形按照先后順序分成2行，每一行的幾張圖片拼接到一個圖層組里面。利用移動工具與之前設定好的標準，把每一排的圖對齊，用方向鍵對每幅圖的位置進行調整，使這些圖片在調整中覆蓋掉重疊的部分，最后將這些圖片連接起來。拼合成功后的圖像存為tif格式。

處理完上述步驟后，下面要進行地圖的數字化處理，也就是矢量化處理。利用MapGIS平臺將將tif格式轉換為msi格式的影像圖，通過對地圖的各個特征，建立相應的點、線、面文件。矢量化過程中，要結合實際，把影像圖片上該有的轉角圓滑化，建筑物地面的陰影合理化等，一步一步進行矢量化，不能在圖中留下沒有屬性的地方，以免在三維建模中出現不匹配和拼接不上的現象，從而完成整個二維空間數據的制作。具體效果如圖2所示。

圖2 二維空間數據

3 三維建模

將完成的二維空間數據轉換出來的圖片作為三維建模的底圖。通過外景采集、三維模型建立、紋理貼圖、三維模型編輯以及三維模型數據庫建立實現整個三維建模。具體的技術流程圖如圖3所示。

常用的三維建模軟件有SketchUp[6]、3D Max、Unity 3D、AutoCAD等。經過技術對比，選用SketchUp，其簡單易學，界面簡潔，操作命令少，可以快速建立三維模型，數據精度也符合要求，而且還可以導出多種數據格式的文件[7]，并且能應用于MapGIS K10的三維平臺。

在三維建模過程中，地理要素包含點狀要素、線狀要素、面狀要素和體要素四個方面[8]。采用SketchUp，建模變得非常簡單，尤其是對線和面的編輯，它的延展性和靈活性簡化了三維建模的工作。建模工作主要包含導入矢量化的底圖數據、建立三維模型、貼圖、保存模型、導出想要的文件格式。

圖3三維建模技術流程

在SketchUp中，可以將“線”建模看作是具有一定面積的三維平面[9]。例如，河流可以看作是具有寬度的線狀面域，然后對其建模，如圖4所示。

圖4 線建模—河流

面狀地物[10]要素是具有面積和周長特性的面，像城市里的樓房、廣場、草坪等。主要的建模對象是建筑物，建模的主要步驟是：先通過矢量化好的底圖數據，找到要建模對象的位置，拉伸得到建筑物的初步模型；再通過外業取景回來經過PS處理的圖片進行參照對比，細化模型；最后根據需要，進行貼圖處理。

創建其他輔助模型，傳統的輔助模型(如道路、樹木、路燈等)，采用三維建模工具進行建模和貼圖，工作量大，實現復雜，而利用MapGIS K10三維處理平臺可以直接進行建模。在創建城市道路模型時，不需要像制作建筑物那樣麻煩，直接在MapGIS中通過線編輯功能畫線，在導入三維景觀模型時，直接用線生成模型功能就可以創建各種樹木和路燈模型。

4 二、三維數據聯動

在完成二維數據的同時，完成二維空間數據庫和坐標的矯正，并導出圖形作為三維建模的底圖，為二、三維數據聯動奠定了基礎。采用MapGIS的GDB企業管理器建立好需要存放數據的數據庫，然后建立好需要編輯的所有圖形的圖形庫文件。

為了保證三維瀏覽[11]的速度，在三維建模過程中考慮了三維模型大小的控制。SketchUp建模既保證了一定的精度，同時也較好地控制了模型的大小[12]，而且SketchUp建立的模型支撐多種GIS平臺格式，便于二、三維數據聯動。

將完成的三維模型保存為obj格式，逐一導入到MapGIS K10三維平臺，將三維模型與二維圖形數據、屬性數據和空間坐標數據一一對應[13]。完成數據導入后，三維模型與二維空間數據完成了聯動，此時三維模型不只是單單的模型，而是具有空間坐標和空間屬性的三維空間數據庫，并且能夠進行三維漫游、空間分析、空間查找等空間處理功能。

系統實現后，在瀏覽過程中，保證了較好的展示效果，在空間處理中，保證了響應速度，實現了較好的三維系統瀏覽、三維空間分析、三維空間查找、三維空間效果分析[14](如日照、水淹等效果)。

通過MapGIS K10三維景觀平臺的景觀處理和動態效果處理，三維數字城市顯示和三維漫游效果如圖5所示。

圖5 三維數字城市顯示效果

5 結束語

文中驗證了MapGIS和SketchUp等相關模型制作軟件之間的相互可操作性，系統通過二維數據采集，二維數據拼圖和矢量化處理，三維模型建立，三維貼圖和三維空間定位，二、三維數據聯動處理，完成了三維數字城市系統的建立。通過采取樂山某城區區域數據進行研究和實現，證實采用該技術實現三維數字城市的快捷性和實用性。采用的三維數字城市技術為三維數字城市的實現提供了一定的參考依據和一種新的技術方法。

[1] 許捍衛，房曉亮，任家勇，等.基于SketchUp的城市三維建模技術[J].測繪科學,2011,36(1):213-214.

[2] 王星捷，李春花.基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J].計算機技術與發展,2013,23(4):241-244.

[3] 曹兆峰，何燕蘭，李勝才.基于Sketchup和ArcGIS的數字城市三維建模技術[J].地理空間信息,2014,12(5):46-47.

[4] 孫 釗，吳志華，熊 偉.基于三維數字技術的城市設計研究與應用[J].城市規劃學刊,2009(7):239-241.

[5] 趙子龍.基于3dsMax的城市三維建模技術[J].價值工程,2013,32(4):184-185.

[6] 萬寶林.3DSMAX與SketchUp的三維城市建模技術實驗對比分析[J].測繪地理信息,2015,40(2):23-25.

[7] 李 娟,吳紅梅,陳永波.基于Skyline的三維數字城市建設項目的設計與研究[J].測繪與空間地理信息,2015,38(10):165-167.

[8] 宋宜容,嚴康文.基于GoogleEarth的三維數字瀏覽系統的設計與實現[J].湖北大學學報:自然科學版,2015,37(2):107-111.

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[11]BremerM,MayrA,WichmannV,etal.Anewmultiscale3D-GIS-approachfortheassessmentanddisseminationofsolarincomeofdigitalcitymodels[J].ComputersEnvironmentandUrbanSystems,2016,57:144-154.

[12]SharmaSA,AgrawalR,JayaprasadP,etal.Developmentof‘3Dcitymodels’usingIRSsatellitedata[J].JournaloftheIndianSocietyofRemoteSensing,2015,23:1-10.

[13]XiongB,JancosekM,ElberinkSO,etal.Flexiblebuildingprimitivesfor3Dbuildingmodeling[J].ISPRSJournalofPhotogrammetry&RemoteSensing,2015,101:275-290.

[14]McDermidRM,AlataloK,BlitzL,etal.TheAtlas3DProject-XXX.Starformationhistoriesandstellarpopulationscalingrelationsofearly-typegalaxies[J].MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety,2015,448(4):3484-3513.

Realization of 3D Digital City Based on MapGIS

WANG Xing-jie

(Engineering Technical College of Chengdu University of Technology,Leshan 614007,China)

With the rapid development of hardware equipment,information and media technology,the virtual terrain scene with large scale has become more and more concerned by people,and some technical difficulties have emerged.In order to solve the difficulties in the process of 3D digital city construction,such as the technique of 3D visualization expression model and visualization,a 3D digital city technology based on MapGIS is proposed.The combination of MapGIS and Sketchup platform,the three-dimensional digital city is realized through the production of fine two-dimensional map data,three-dimensional model and seamless integration between two-dimensional map data and three-dimensional model.The specific example demonstrates that the whole process of 3D modeling,3D model storage and visualization of 3D model is fast and interactive,with high efficiency,which solves the technical difficulties well.It provides a new method and technical reference for the construction of 3D digital city.

3D model；3D digital city；MapGIS；SketchUp

2016-02-19

2016-05-25

時間：2016-11-21

2014年度四川省教育科研項目(14ZB0351)

王星捷(1980-)，男，副教授，碩士，研究方向為數字城市、智慧城市、三維空間數據處理、大數據應用。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161121.1641.038.html

TP319

A

1673-629X(2016)12-0096-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.021