三維精細建模在智慧城市建設中的應用

崔迎迎++陳燕燕

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.126

摘 要：本文以三維建模在智慧城市建設中的應用為研究內容，以寧東核心區三維國土地理信息系統建設項目為例，以CAD和3DMax軟件為基礎，詳細介紹了三維模型構建的生產方案和關鍵技術。得出結論：三維精細建模將在智慧城市建設中的城市規劃展示、城市災害和突發事件模擬，以及城市環境動態變化、交通、應急等方面發揮重要作用，為智慧城市建設打下堅實的數據基礎和管理基礎。

關鍵詞：三維建模 CAD 3DMax 智慧城市

中圖分類號：P217 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0126-02

城市是個復雜的巨大系統，包括用地、建筑、市政設施等多個子系統，各個子系統之間具有復雜的空間關系。基于空間設計和管理的建筑和城市規劃領域，雖然已經廣泛實現了CAD設計，但在論證和管理方面仍舊停留在二維平面圖紙以及物理模型等傳統表現工藝階段，還談不上真正的智慧化設計與管理。

在城市管理領域，還是停留在二維GIS數據的應用階段，沒有上升到三維智慧城市，但提升到三維智慧城市階段是一個趨勢。虛擬現實技術可以通過三維建息系統等，通過這些詳實的數據和相關資料可以直觀真實地固化方案評估、審核以及管理等日常工作，更為重要的是它可以為多部門參與和協同工作提供了有效的平臺。這也是為什么虛擬現實在智慧城市中得到廣泛應用的主要原因。

本文首先系統地闡述了三維精細建模在智慧城市建設中的應用，在此基礎上以寧東核心區三維國土地理信息系統建設項目為研究案例，講述了三維建模的應用方法和過程，以CAD和3DMax軟件為基礎，詳細介紹了三維模型構建的生產方案和關鍵技術，最后對案例中三維精細建模應用進行了總結。

1 工程概況

本項目采用手工建模的方式，建立寧東指定區域10km2三維精細模型。

2 三維模型制作流程

基于CAD和3DMax軟件的三維模型制作流程如圖1所示，具體包括以下步驟：

（1）獲取準確的建筑位置及外觀數據。將地形圖中的建筑外輪廓線提取出來，并進行整理，以確定建筑的真實地理位置和大致外形輪廓。

（2）將數據轉換為模型制作軟件的可用數據。將數據轉換為模型制作軟件可以識別的格式，如AutoCAD的dwg和dxf格式，并導入到模型制作軟件中。

（3）在模型制作軟件中建立模型結構。依據模型的外輪廓線建立模型的大體結構，然后參考照片和建筑的結構圖，分別建立建筑的各個結構。將模型各部分進行結構拼接，并整理模型結構，讓模型的頂點和結構線的結構和布局合理。

（4）為模型表面賦予紋理貼圖。為模型制作紋理，必須依據模型的結構調整貼圖的尺寸。不同的模型精度要求，所對應的貼圖尺寸也有所不同。為實現貼圖的真實效果，需要對貼圖進行烘培處理。考慮到模型中有相似的建筑結構（如窗戶），為了減小數據量，便于網絡發布，必須要按照建筑結構平鋪表達重復紋理。

（5）保存模型文件并輸出可用的數據格式。模型制作完成后，保存并輸出數據成果（見圖2）。

3 關鍵技術

3.1 模型拓撲結構優化

優化是我們在制作實時場景時所必須考慮的因素，其能使制作的場景有更少的數據和更快的運行速度，也能達到很好的模型拓撲結構，通常在制作期間就要時刻考慮這些，盡量給生成的物體以最少的段數，不要以高分辨率制作后再進行優化，那樣會浪費無謂的時間，效果也不好。下面的兩個物體（見圖3），其最終顯示結果是一樣的，按照常理來說，左邊的拓撲結構更為合理，右邊的是由兩個柱體模型組成，下圖小柱體刪除了頂面，使其比左面的模型少用了12個面，可以說更為優化。

3.2 基本優化制作技術

在三維建模過程中，優化是提高其性能的一個重要手段，相應的優化結果直接決定了虛擬現實系統的運行效率和實時性。

對模型進行優化，在一定程度上可以提高建模整體實時性。根據三維建模過程中的實際情況，將對模型采取下面一些優化策略。

（1）去除多余多邊形策略：在三維建模過程中，有些模型會存在一些多邊形，這些多邊形在場景瀏覽時一直處于不可見狀態，此時去除它們不會影響整體瀏覽效果且能降低建模耗時。為此，可以把那些處于場景瀏覽時實體模型之外的不可見部分去除掉。如遇兩模型各種相接情況的模型，如水平相接或地面相接等，將看不見的接觸面刪除。

（2）紋理替代策略：在三維建模過程中，若過分強調物體細節，不但工作量較大，而且模型復雜度也較大，從而大大降低整體建模實時性。合理采用紋理不僅能增強場景中物體真實感，而且還能降低建模復雜度。為此，論文將把場景中的相應模型用合理的紋理來代替。

（3）實例化策略：在數據庫領域，實例化就是對庫中現存模型的引用，表面上同模型復制相同。但是，實例并非庫中真實的實體，而是眾多模型的一個影子，此時實物其實僅有一個，其他同類實物均可通過一系列變換而得到。這種情況下，在場景中顯示實體時，就可以只對某一實例的顏色、形狀、紋理等特征進行編輯，此時所有同類實體的屬性也隨之相應改變。在場景中，如果一個實物在不同的位置多次被使用，如果同一物體在場景中多次被使用，那么僅對該物體建立一個模型，以后不論何時何地使用，僅通過實例化方法引用此模型即可。這種方法不僅能夠節省大量內存空間，而且還能提高建模速度。

很多時候不同的人制作的模型在外表上看起來是差不多的，但模型的組合結構卻有很大不同，它會影響到運行效率和顯示效果。兩個在一起的模型之間不要穿插，它不但會浪費一些顯示資源，而且距離模型很遠時還可能出現鋸齒現象，當兩個物體的面比較接近時，會出現共面的閃爍現象，這種情況建議將大面模型的共面區域掏空。endprint

3.3 材質與貼圖

所有三維軟件中模型記錄貼圖坐標的原理都是一樣的，需要用標準的UVW Map修改器來調整模型的貼圖坐標就行。在材質的貼圖參數的Coordinates一欄中的參數都不支持，這里的平鋪參數也不支持，如想調整平鋪，請用UVW Map平鋪，還要注意必須將物體的貼圖和坐標的通道都設為1才能有效支持。

全部的面都用貼圖，即使是單色的面也不要用RGB值。為保證貼圖清晰，大的面不要用一張貼圖。將大的面折分，分別賦上材質。同時，不要使用頂點顏色和頂點法線。有透視角度的照片處理貼圖時，要去除透視角度，做到橫平豎直。照片中有其他混亂的物體時（人、車、植物、電線桿、電線等），在模型貼圖中全部處理干凈。保持貼圖的真實性，最大可能地吻合于照片，不得擅自篡改。不能有半個窗、半個門等不合理的貼圖。為保證貼圖表現真實，每張做完的貼圖要經過亮度/對比度、色相飽和度、色階等圖像調整。

4 模型精度標準規范

（1）標準模型的基底輪廓線可基于1∶500比例尺地形圖中建筑物的基底輪廓線直接生成，并與地形圖保持一致；也可依據建筑設計資料制作。

（2）建筑平面精度應嚴格按照1∶500、1∶1000比例尺地形圖平面精度制作，建筑平面精度與1∶500、1∶1000比例尺地形圖精度誤差不超過0.5m。

（3）建筑檐口高度嚴格按照提供的建筑高程數據制作，建筑檐口高度與提供的建筑高程數據誤差不超過0.3m，立面凹凸結構部超過1m的要用模型表現。

（4）應反映外立面上陽臺、窗、廣告牌及各類附屬設施。

（5）應反映屋頂結構形式與主要相關附屬設施等細節。

（6）建筑立面使用素材貼圖進行制作，能表達整體建筑群的感覺，紋理宜與實際基本一致，可反映建模物體的顏色、質地和圖案等。紋理中不得包含建筑以外的物體，物體外立面及屋頂主要的變化細節應清晰可辨。

5 結語

本文結合寧東核心區三維國土地理信息系統項目實例詳細講述了三維精細建模在智慧城市建設中的應用。系統用影像和高程數據來創建三維場景，以三維GIS軟件為平臺，高效快捷地展示全區各地的三維立體景觀、基本屬性信息、土地專題信息等，真實再現了寧東的地形地貌、城鎮建設等基本情況，為國土部門掌握國土資源提供了數據智慧支撐；能通過三維平臺提供專業的三維分析功能，比如填挖方分析、坡面分析等，為開展國土業務提供必要支撐；為征地拆遷工作等提供直觀的憑證；為智慧寧東提供基礎技術平臺和基礎信息來源，預留了接口和擴展空間，為“智慧寧東”建設打下了堅實的數據基礎和管理基礎。

參考文獻

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