基于SuperMap的三維數字城市的研究與應用

王星捷，李春花

（成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007）

基于SuperMap的三維數字城市的研究與應用

王星捷，李春花

（成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007）

針對三維數字城市的建設過程中，三維模型制作、二、三維數字信息聯動、三維動態效果實現以及影響實現速度的模型大小等問題。本文提出了一種基于SuperMap的三維數字城市技術方法。結合ArcGIS平臺、SuperMap平臺和Sketchup平臺，實現了三維數字城市，采用實例進行了驗證，較好的解決了以上的問題。為三維數字城市的建設提供了一種簡潔、實用、便捷的技術方案。

三維數字城市；三維模型可視化；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

隨著計算機技術和網絡技術的發展，硬件產品性能的不斷提高，無論是信息化技術的快速發展還是人們意識形態的轉變，都在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，然而現今火熱上升的三維時代正在被用戶所期待。當人們一談到三維空間[1]，首先就必須要談到三維數字城市[2]，那是因為三維數字城市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而構建的一種數字化城市[3]的模式。

三維數字城市在今后日常生活中的應用將越來越普遍，在科技開發、商業、醫療業（手術培訓、手術預演、臨床診斷）、娛樂行業、城市規劃、教育領域、軍事領域中都將離不開它，將使人們的生活越來越立體化、真實、便捷。因此，實現三維數字城市，還原了一個真實的城市，建立了一個具有人性化、直觀化的溝通界面和基礎平臺。對社會經濟發展具有重要的意義。

1 三維數字城市技術框架

文中立足于三維數字城市建設的技術的研究，結合了ArcGIS平臺、Sketchup平臺和SuperMap平臺，研究了三維建模[4]技術、二維地形處理技術、三維模型存儲技術和二、三維數據聯動技術[5]，實現三維數字城市。具體的技術框架圖如圖1所示。

圖1 技術框架圖

三維數字城市的基礎是三維建模[6]，三維建模的難點是數據大，模型多元化，紋理素材多樣化，工作量大。模型建立的逼真度，直接影響到三維數字城市的直觀效果。為此，采用了Sketchup平臺[7]進行三維建模，使用其進行建模，就好比在紙上面用筆畫畫一樣簡單方便，整個制作過程中不僅可以直白的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。

完成三維建模后，三維模型的信息存儲又是一個難點，要保證三維模型無縫精確的鏈接在二維空間信息庫中，就必須處理好二維地形圖和空間屬性信息的管理。眾所周知，ArcGIS平臺有強大的GIS數據處理和空間信息管理功能，因此，在處理二維地形圖的過程中，采用ArcGIS平臺，首先用稻歌軟件獲取所需地域的遙感數據，然后通過投影轉換、矢量化、屬性信息建庫等制作精確的二維地形數據。

最后的難點就是二、三維的聯動技術，該技術是實現三維數字城市的關鍵技術。SuperMap平臺支撐ArcGIS文件數據，支持多種三維模型數據，提供了多種三維符號和場景效果[8]，能方便的導入導出三維模型，采用SuperMap的iServer平臺，可以方便的發布地圖服務和真空間服務進行管理三維數據，從而實現三維數字城市。

2 三維模型處理

三維建模處理包括三維幾何模型建立和紋理材質采集[9]。要保證三維模型的逼真度，要采用高像素的相機對真實的實物進行拍照并進行紋理圖片的處理。三維幾何模型包括建筑物、地形和輔助物的建模。

建筑物的建模是三維數字城市中量最大[10]，最繁重的內容，要保證真實度，要對建筑物的種類進行分類，其次依照前期采集的數據再根據不同建筑物的外觀及結構進行建模，主要處理方法為，首先對建筑物數據進行預處理，主要是建筑物結構的幾何數據的紋理數據[11]；其次再進行三維建模，對模型進行結構化描述，以及模型在場景中多角度多方位的瀏覽問題，也就是最后的在場景中的位置擺放；最后是對模型進行上色等，使模型具有真實性。

輔助物的建模[12]主要是綠色植物，比如樹木、花草等。綠色植物的幾何結構相對比較復雜，從而制作比較麻煩且制作時間相對較長，而且在場景中數量有比較多，讓系統的開銷很大。傳統的方法是采用平面映射的組合建模，但這樣的效果比起真正的樹木就會顯示的粗糙多了，尤其是在視點拉近的情況下，樹木紋理容易失真。所以本采用的是選擇建立逼真的樹木模型，同時也加上少量的不逼真的花草，這樣才能減小系統開銷，又保證了真實度。

地形建模是三維建模中比較難處理的工作，許多三維建模工具包括Sketchup也只能直接拉伸面，并不能出現坡度，這樣無法體現坡度效果。為此，本文研究了一種新的方法，解決了該難點。采用CAD工具繪制地形的等高線，利用Sketchup中的沙盒工具根據等高線創建地形的模型，再進行紋理貼圖。具體效果如圖2所示。

圖2 地形建模圖

采用以上的方法，可以方便、快捷、逼真的建立好三維數據模型。

3 二維地形圖處理

二維地形圖數據的處理，主要包括了影像數據采集、ArcGIS二維矢量圖形制作和二維數據導入SuperMap。

影像數據采集是用稻歌軟件截取的，打開稻歌軟件后縮放到所需地域的范圍，使用矩形截圖，截取的范圍為學校的范圍， 稻歌的投影坐標為Popular_Visualisation_CRS_Mercato，在截取后要進行投影轉換，在 ArcGIS中有柵格投影轉化，轉為GCS_WGS_1984坐標，該坐標世界級地理坐標系，即WGS84:World Geodetic System 1984，是為GPS全球定位系統使用而建立的坐標系統。也是全球所有衛星所用的坐標系統，和主要參數是地球的經度和緯度。

ArcGIS繪制二維圖的功能較SuperMap更全面，所以最終選擇是在ArcGIS中繪制的二維地圖，首先在存放矢量數據的文件夾里新建Shape文件，因為要素到時候要導入SuperMap中所以在ArcGIS中以Shape文件的格式存在。在繪制二維地圖的時候，根據相應的需求，新建需要的點、線、面格式數據，比如道路用線表示，綠地、房屋、地面用面數據表示，樹木、路燈等就用點數據表示。新建好Shape文件后將文件加載到Arcmap中，同時也將影像數據加載進去，接下來就是二維數據的繪制，根據遙感數據的地物特征用矢量數據勾出輪廓，將遙感數據中所有的地物用矢量數據表現出來[13]。

由于最終是在SuperMap中實現三維場景，所以在ArcGIS中繪制完成二維圖后，將所有要素導入到SuperMap中。在SuperMap中新建一個數據源，在數據源中選擇導入數據集，找到二維地圖中所有的Shape文件，選擇添加，將其導入到數據源中。導入要素成功之后，要對數據進行符號化，賦予相對應的符號顏色及表現方式。具體效果如圖3所示。

圖3 二維地形圖循

4 二、三維數據結合

二、三維數據結合，關鍵的技術有兩個點，一是如何將三維數據集與二維的數據源結合，保證二維要素和坐標與三維模型保持一一對應；二是三維模型導入后模型精細處理。

SuperMap只支持3ds格式及自身的gsm格式的三維模型，三維數字城市中，建筑物數量太多并且因數量太多導入后，數據顯示時會存在貼圖丟失及出現黑斑、破面等情況。對于該問題，本文采用了利用3dmax軟件和CAD的方法進行了解決，將三維模型導入到3dmax軟件中，并在3dmax中生成數據集，以CAD數據集的形式導入到上面完成的二維數據源中，利用SuperMap平臺，設置好相關參數和路徑，生成三維數據源，保證要素、坐標、模型和紋理貼圖一一對應。

3dmax中生成數據集后有些模型在SuperMap中顯示會是透明的，需要把單個模型重新導入到SuperMap中，消除透明現象。SuperMap中提供了湖水的三維符號，可設置水速、亮度、水波頻率等效果。將該符號應用于湖面，真實的模擬了城市的湖面效果。如圖4所示。為了保證加載三維場景的時候的度更快，在紋理貼圖的時候要注意圖片的大小，一般為2的n次方，最大為512，最小為8。

圖4 湖面三維設置效果

貼圖時，要注意高度模式的處理[14]，高度模式中選擇相對高度或者絕對高度，拉伸出一定的高度，在旁邊的三維貼圖管理中貼圖。分為頂面貼圖和側面貼圖，根據自己的需求和前期材料的準備，對模型進行貼圖，使其在場景中更加逼真。

5 系統發布

完成了二、三維數據結合后，三維數字城市的三維空間信基本建立完成，下面只需要在服務器中進行數據的發布，利用空間服務和地圖服務實現三維數字城市[15]。

SuperMap iServer是發布服務的平臺，該平臺操作簡單，提供了多種服務的方式，可以根據自己的需要發布相應的服務，在實現三維數字城市中，需要發布真空服務和地圖服務，用于三維瀏覽和空間數據處理。

在發布服務成功之后，便可以瀏覽所發布的服務，在SuperMap iServer服務的首頁點擊服務，在服務欄下中有工作空間的選項卡，在此選項欄下就是發布的所有服務，在點擊服務的地址后，出現真空間服務根節點，它描述 realspace資源是 SuperMap iServer REST服務中，三維服務的根節點。realspace資源包含三個子資源，它們分別提供了三維場景、三維數據及符號的信息和操作。這里的三維數據是指KML數據或經過預處理之后的三維緩存數據，一個三維數據對應三維場景中的一個三維圖層。在真空間服務根節點中有sence，里面記錄了該工作空間下發布的三維場景，點擊后可以瀏覽三維數字城市效果。具體的顯示效果如圖5所示。

6 系統實驗與分析

圖5 三維數字城市瀏覽效果

文中實驗的對象為樂山城區約1 800畝的城市區域，三維模型包括了湖面、地形、樹木和建筑物等多種地物地貌。采用本文的提出的方法，建出的模型美觀度好、逼真度高、存儲量小，在三維模型與二維數據進行鏈接過程中，保證了三維模型數據無坐標偏差，導入的角度和方向無任何誤差，二維要素信與三維模型信息無縫的結合，二維數據和三維數據管理方便，易于修改。 發布后，利用多臺計算機進行測試，在瀏覽過程中，三維信息能與二維信進行聯動，加載和運行速度快，漫游過程中，無卡頓現象。表1為三維建模技術參數對比，表2為三維數字城市實現效果技術參數。

表1 三維建模技術對比

表2 三維數字城市瀏覽效果

7 結束語

利用ArcGIS平臺、SuperMap平臺和Sketchup平臺結合，研究一種三維數字城市的技術，為三維數字城市的實現提供了一種新的技術方法。本文以樂山市城區某區域為研究對象，研究了如何提高三維建模的速度和模型的逼真度，解決了地形模型的建模方法，三維動態效果，導入后模型透明的問題，三維模型數據源管理和二、三維數據源鏈接等技術性難點。通過SuperMap iServer平臺進行了系統的發布，實現了三維數字城市，在瀏覽和漫游過程中系統響應速度快、真實度高、畫面流暢、體驗效果好。

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Research and application of 3D digital city based on SuperMap

WANG Xing-jie，LI Chun-hua
（The Engineering Technical College of Chengdu University of Technology，Leshan 614007，China）

In order to solve the problems of in the process of the construction of three-dimensional digital city，such as 3D model making，two-three dimensional digital information linkage，three-dimensional dynamic effect and the impact of the speed of the model size.This paper proposes a method of 3D digital city technology based on SuperMap.The integration of ArcGIS platform，SuperMap platform and SketchUp platform achieves the three-dimensional digital city.Through an example，it is proved that the above problems are solved well.This paper provides a simple，practical and convenient technical solution for the construction of 3D digital city.

3D digital city；3D model visualization；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

TN02

A

1674－6236（2017）10-0006-04

2016-03-31稿件編號：201603419

2014年度四川省教育廳科研項目（14ZB0351）

王星捷（1980—），男，湖南永州人，碩士，副教授。研究方向：數字城市、智慧城市、三維空間數據處理、大數據應用。