關(guān)于數(shù)字城市三維建?？梢暬夹g(shù)分析

朱恒

摘 要： 數(shù)字城市是讓城市的信息管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化，而要想實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市三維可視化，三維建模技術(shù)就是必不可少的。城市三維建?？梢暬侵竿ㄟ^(guò)三維可視化系統(tǒng)將城市區(qū)域之內(nèi)的空間進(jìn)行三維描述以及分析，能夠?qū)崿F(xiàn)可視現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合。而隨著科技的飛速發(fā)展，三維可視化技術(shù)已得到了廣泛的運(yùn)用。本文從三維建模的方法出發(fā)，對(duì)三維可視化技術(shù)進(jìn)行了分析，并且概述了城市三維可視化中所涉及的關(guān)鍵性技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字城市； 三維建模； 可視化技術(shù)

1. 數(shù)字城市三維模型的建模方法

1.1 地形的三維建模法

數(shù)字城市當(dāng)中，地形是最主要的地理對(duì)象，也是城市實(shí)體三維空間的基礎(chǔ)。它是將衛(wèi)星遙感技術(shù)捕獲的影像通過(guò)一系列的修正及校正后得到的正射影像輔以數(shù)字高程模型，即DigitalElevationModel（DEM）從而生成三維地形的圖形表示。DEM以數(shù)字化的形式將地形表面形態(tài)一展無(wú)疑，同時(shí)也占據(jù)了地理信息系統(tǒng)中空間信息資料以及分析地形的核心位置，三維實(shí)體繪制和分析地形都離不開(kāi)它，而DEM主要是通過(guò)離散分布平面點(diǎn)上的高程數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行連續(xù)分布地形表面的模擬。DEM數(shù)據(jù)主要通過(guò)三種方法來(lái)獲取。一，利用野外測(cè)量?jī)x等設(shè)備在野外進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，以此獲得的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，但是效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合大范圍的數(shù)據(jù)獲??；二，將地形圖數(shù)字化，即將地形圖掃描之后，利用相關(guān)軟件對(duì)圖像進(jìn)行矢量化，在添加了地形的特征后，就能得到DEM數(shù)據(jù)，該方法方便快捷高效；三，全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，以衛(wèi)星遙感影像為基底，利用該法獲取數(shù)據(jù)，需要借助專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備才能使數(shù)組準(zhǔn)確可靠。

1.2 地物的三維建模法

目前，建筑物進(jìn)行三維建模的方法有三種：一，基于二維GIS的建模方法，即將二維城市的GIS數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成三維，該方法不僅方便，還節(jié)省經(jīng)費(fèi)。但是二維GIS缺少了三維，建模所需要的第三維信息，因此，采用此法時(shí)，通常會(huì)將其與DEM相結(jié)合，以彌補(bǔ)三維建模所需的信息數(shù)據(jù)。但是由于缺乏準(zhǔn)確的第三維數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的紋理信息，也讓構(gòu)建的三維模型缺少真實(shí)感，對(duì)實(shí)體城市的表達(dá)也不夠完美；二，基于CAD的建模方法，也就是通過(guò)一些建模軟件如AutoCAD、3Dmax等來(lái)建立相應(yīng)的三維CAD模型，其中，一個(gè)或多個(gè)多邊模型就能夠建立一個(gè)三維CAD模型，對(duì)建筑物的幾何特征及屬性信息能夠詳細(xì)準(zhǔn)確的表達(dá)；三基于遙感影像的建模方法，即以立體的影像數(shù)據(jù)以及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)為保障，再根據(jù)影像中所得到的第五坐標(biāo)來(lái)建立數(shù)字模型。

1.3 地物紋理數(shù)據(jù)的獲取與映射

在建筑物的三維模型構(gòu)建中，除了幾何模型的構(gòu)建，紋理數(shù)據(jù)是不可缺少的一個(gè)要素。紋理數(shù)據(jù)可由三種方法獲得：一，貼圖素材庫(kù)；二，實(shí)地拍攝采樣；三，從遙感影像當(dāng)中提??；以上三種方法是最為經(jīng)濟(jì)的。地物三維模型的真實(shí)程度主要是取決于其表面貼的紋理影像的真實(shí)程度，而該紋理影像從航空影像當(dāng)中進(jìn)行提取。在獲取紋理數(shù)據(jù)之后，需要將其映射到相關(guān)的建筑物上，讓其具有真實(shí)性，紋理映射的原理是將模型中可模擬或是不可模擬的細(xì)節(jié)部分利用圖像來(lái)替代，從而使顯示速度以及真實(shí)程度有質(zhì)的飛躍。紋理映射的核心技術(shù)是對(duì)紋理坐標(biāo)的控制，每一個(gè)圖像都對(duì)應(yīng)著一個(gè)坐標(biāo)，并以文件的形式進(jìn)行保存，因此，程序在運(yùn)行時(shí)，只要其中的紋理映射坐標(biāo)到位，地物上就能夠準(zhǔn)確清晰的顯示出相應(yīng)的紋理。

2. 三維可視化技術(shù)分析

2.1 三維可視化技術(shù)現(xiàn)狀

三維可視化技術(shù)的出現(xiàn)，讓世界出現(xiàn)了無(wú)數(shù)的可能，該技術(shù)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域、學(xué)科，促進(jìn)了發(fā)展。例如，對(duì)于數(shù)字城市三維，要實(shí)現(xiàn)城市三維可視化，城市實(shí)體三維建模是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，而對(duì)城市實(shí)體的分析、表達(dá)都是其中的關(guān)鍵。目前，三維可視化技術(shù)大多以三維軟件的形式來(lái)展現(xiàn)。三維軟件分為三類(lèi)：建模軟件；以模型為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)漫游、分析、決策等基本操作的平臺(tái)軟件；以及讓三維可視化技術(shù)能夠應(yīng)用到相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件。

2.2 可視化應(yīng)用系統(tǒng)的框架

城市三維可視化是通過(guò)對(duì)三維地形及地物的構(gòu)成進(jìn)行研究，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及圖像處理技術(shù)，將城市實(shí)體以三維圖形的形式展現(xiàn)在人們眼前。將地理要素直觀、真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái)，將空間數(shù)據(jù)可視化，因此，三維空間數(shù)據(jù)為三維可視化的實(shí)現(xiàn)建造了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基底。三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)的框架主要由數(shù)據(jù)的提取與處理模塊、三維景觀生成模塊以及三維景觀瀏覽模塊組成。首先，數(shù)據(jù)的提取與處理，是指系統(tǒng)要將獲取的DEM、正射影像以及矢量線引入到三維地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，建立起相應(yīng)的三維模型，同時(shí)將相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入建立起對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，建立完成建筑物的模型，將其表面進(jìn)行紋理映射，再進(jìn)行其它地物的模型建立；其次，三完成維景觀建立后，便可對(duì)其進(jìn)行漫游瀏覽，也就是從多個(gè)視角進(jìn)行觀察，包括縮放、擴(kuò)大、旋轉(zhuǎn)以及俯仰等，或是對(duì)制定路線進(jìn)行漫游，如果條件允許，還可以輔以立體觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行真正的漫游。三維可視化系統(tǒng)的整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程，如下圖：

2.3 三維景光可視化實(shí)現(xiàn)方法

三維景觀可視化包括地形可視化和地物可視化，首先，利用遙感影像技術(shù)來(lái)獲取地形、地物的數(shù)據(jù)信息，即將高分衛(wèi)星影像、DEM數(shù)據(jù)以及控制成果作為基本資料，正射糾正全色影像，并將糾正后的全色影像作為參考資料，配準(zhǔn)糾正多光譜影像，再將糾正后的全色影像和多光譜影像進(jìn)行融合，融合后的影像再按照?qǐng)D幅來(lái)鑲嵌、裁切，通過(guò)影像增強(qiáng)、色彩調(diào)整等方法對(duì)分幅影像進(jìn)行相應(yīng)的處理，制作出DOM成果。三維可視化是將三維空間數(shù)據(jù)模型完美呈現(xiàn)，也可以將其稱(chēng)之為3D幾何模型?？梢暬膶?shí)現(xiàn)方法如下：方法一，以數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)為主的直接建模，即以O(shè)PENGL作為平臺(tái)進(jìn)行建模，以此法進(jìn)行建模時(shí)，要注意二維到三維轉(zhuǎn)換時(shí)像素的轉(zhuǎn)換，即投影的變換、視角的變換以及窗口的裁剪情況，還要注意將光照加入到模型中時(shí)，光源的位置、顏色以及其中對(duì)象的材料等因素；方法二就是以虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言的VRML進(jìn)行建模。

3. 數(shù)字城市三維可視化中所涉及的關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 模型層次細(xì)節(jié)

模型層次細(xì)節(jié)是以物體與視點(diǎn)之間距離的遠(yuǎn)近來(lái)確定模型精細(xì)的程度。在進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，數(shù)據(jù)量非常巨大，需要實(shí)時(shí)處理，精細(xì)程度直接決定了數(shù)據(jù)的處理速度，如果模型的精細(xì)程度過(guò)高，那么數(shù)據(jù)的處理速度就會(huì)相應(yīng)地降低，若是精度過(guò)低，又達(dá)不到預(yù)期的顯示效果，因此精度的選擇很重要，為了避免這樣的問(wèn)題出現(xiàn)，最好的方法就是進(jìn)行分層，不同層次的模型用不同的驚喜程度，這樣交錯(cuò)出現(xiàn)就不會(huì)造成數(shù)據(jù)壓力，同時(shí)也能達(dá)到預(yù)期的效果。

3.2 模型分塊

模型分塊是指根據(jù)模型所在空間位置的不同，將其劃分為不同的區(qū)域，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)就能夠?qū)⒛Ｐ透鱾€(gè)模塊的優(yōu)點(diǎn)突出來(lái)，如果模型的空間范圍較大，利用模型分塊技術(shù)不僅節(jié)約系統(tǒng)資源，而且將資源最大化后再與模塊層次化相結(jié)合，就能夠?qū)?shù)據(jù)量控制住，提升數(shù)據(jù)的處理速度，讓演示更加的流暢。

3.3 紋理處理

紋理處理是對(duì)紋理的命名、格式、大小、貼圖方式的處理。首先，紋理的命名，對(duì)于一些仿真場(chǎng)景較大的模型來(lái)說(shuō)，所用到的紋理也是一個(gè)大數(shù)目，因此為了保證不重名或是混亂情況的發(fā)生，就需要加上一個(gè)與模型模塊箱配合的前綴，然后再加上相應(yīng)的名字就能夠清楚的區(qū)分其所屬模塊與所屬位置；其次，紋理的格式，一般是根據(jù)操作系統(tǒng)的兼容情況以及分辨率來(lái)選定用什么格式的紋理圖片，同樣，紋理的大小也由操作系統(tǒng)以及實(shí)際情況來(lái)決定，但是一般其長(zhǎng)寬方向的像素必須是偶數(shù)倍；其三，紋理的貼圖方式有很多，應(yīng)該遵從其預(yù)期的表達(dá)效果來(lái)選用，而對(duì)于一些特殊紋理比如透明紋理的處理來(lái)說(shuō)，一般是選用RGB格式，大小為標(biāo)準(zhǔn)大小。

4. 總結(jié)

總之，可視化技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)技術(shù)，讓數(shù)字城市成為現(xiàn)實(shí)，讓城市的規(guī)劃、管理、建設(shè)更加的先進(jìn)、方便，讓理論與實(shí)踐完美地融合在一起。

參考文獻(xiàn)：

[1] 卜麗靜，王家海，張正鵬.地學(xué)三維GIS可視化系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（6）：63-65.

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