基于MapGIS、BIM和SketchUp平臺的三維數字城市精細建模與實現

吳紅波，賈欣，王慎

(1.陜西理工大學地理科學系，陜西 漢中　723000；　2.西北大學陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，陜西 西安　710127；3.河北槐隆建筑工程有限公司，河北 邢臺　055450)

1　引　言

三維數字城市建設是一項復雜的系統工程，涉及眾多領域的海量數據，需要融合地表、地上和地下地物，及其復雜的建筑物形體與空間關系[1]，可實現城市人流、物流、環境保護、電力、交通、城建、土地資源等有效管理，達到城市資源的合理配置與優化目的。1990年以來，各國相繼提出以三維地理信息系統(Three-dimensional Geographic Information System，3D GIS)為基礎的數字城市[2]、智慧城市[3]、海綿城市平臺建設[4，5]，促使CityMaker[6]、Esri CityEngine[7]、MapGIS、SuperMap iSpace、GeoGlobe、Skyline Globe、OpenGL、草圖大師等軟件已成為數字城市三維建模的重要工具。目前，GIS(Geographic Information System)技術在作業范圍、重復采集頻率與精度、后處理智能化、GIS與大數據的融合、室內定位測量、3D GIS平臺集成的優勢，不僅增強城市三維構筑物可視化，也為智慧城市設計提供技術支撐[8]。另外，3D GIS數據模型、數據結構、空間關系和空間分析方法等不斷的更新發展，正在逐步滿足“互聯網+”時代下的智慧城市建設需求[9]。

隨著物聯網、大數據、云計算、激光雷達、無人機、BIM(Building Information Modeling)技術的方興未艾[10]，國內外眾多GIS商業軟件，如ArcGIS、MapGIS、MapInfo MapGIS，GeoStar、SuperMap和Citystar，正在借助Python、Java、C#、C++等開發環境或第三方插件，增強GIS平臺在地理空間數據輸入、存儲、查詢、分析和顯示、制圖和三維分析功能的兼容性和可移植性，提升專業領域的地理信息技術應用水平。由武漢中地數碼集團開發的一套完全具有自主知識版權的MapGIS 10軟件，提供了豐富的數據處理、空間分析、三維、遙感圖像處理、Web GIS等功能和二次開發接口[11]。既能實現三維景觀模型的快速渲染和可視化分析，也能實現批量建模和精細建模，但在構筑物三維精細建模上，需將GIS和BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型進行集成使用[12]。而且，MapGIS軟件在海量空間數據管理上，可滿足大規模城市建設數字化的需求[13]。因此，文中根據三維數字城市平臺設計框架，以陜西省漢中市主城區為例，采用MapGIS、BIM和SketchUp三維建模軟件對城市主要構筑物進行精細建模。針對精細和批量建模過程中的不足，提出合理化解決方案，并為智慧城市背景下的三維城市精細建模提供技術支持，提高城市規劃、建設、服務與管理水平。

2　三維數字城市的設計框架

三維數字城市平臺的可視化分析、空間分析功能、海量數據管理是研究中擬解決的關鍵問題[14]。因此，本研究從空間實體、數據組織與管理、空間分析與表達、專題應用四個層面，考慮三維數字城市基礎平臺的設計框架，如圖1所示。

圖1　三維數字城市平臺的設計框架

3　空間實體與數據組織

(1)底圖制作：城市居民建筑、公共設施、水體和道路的空間實體屬性以及建筑物CAD底圖數據等。

(2)空間實體矢量化與建庫：建立點、線、面矢量要素集，從CAD平面圖中繪制水體、道路、綠化帶、城市建筑、住宅區等矢量圖層，如圖2所示。

(3)城市GPS控制網：采用厘米級差分GPS采集儀獲取城市建筑設施的控制點地理坐標，完成CAD底圖建筑界限與實體空間地理位置配準。

圖2　漢中市主城區矢量化地圖

(4)實體屬性數據庫：包括城市各級道路的寬度、城市建筑的樓高、建筑面積和容積數據，城市綠地面積、綠化植被高度和空間分布等。

(5)符號庫和實景照片：點、線、面符號庫以及顏色庫，在MapGIS系統中以．lib文件保存在MapGIS地理數據庫。

4　三維模型建立與實現

4.1　精細建模

為克服紋理、三維數據以及空間關系表達的缺失[15]，構筑物三維模型真實感少，周圍場景信息表達不足[16]，在空間實體三維精細模型表達上，采用點、線狀、面狀和體要素[17]。學校、商業、居民建筑物BIM模型包括構筑物外觀、室內空間的詳細參數，采用CityGML模型實現在BIM建筑軟件Revit和MapGIS數據交互輸入、輸出與表面紋理映射[18]。綜合BIM和GIS，首先對同類建筑物進行建模，然后把建筑物空間信息與周圍環境共享，應用到城市三維GIS平臺中，相同類型構筑物表面三維精細建模流程，如圖3所示。

圖3　基于BIM和MapGIS的精細建模流程

根據城市建筑類型和場景空間環境，單一建筑物精細建模過程：首先，采集建筑物的外形實景，確定建筑物頂層、窗沿寬度、玻璃厚度、墻體表面瓷磚尺寸及顏色，并依據建筑物構件表面色彩與尺寸大小進行區分。其次，對道路路面、水泥地面、路燈及綠化帶等表面紋理、空間布局進行細化建模，呈現真實場景。再次，將BIM建筑模型導入MapGIS數據庫線、面要素圖層中，生成體要素圖層。然后，參考構筑物實景圖片，進行構筑物室外表面精細貼圖處理，如圖4所示。最后，根據單一建筑物的復雜程度、景觀圖層瓦片大小和范圍，以分塊形式存儲在三維GIS數據庫，海量建筑三維模型的組織、語義構建和引擎管理均能適應BIM和SketchUp文件管理系統[19]。

圖4構筑物三維精細建模效果圖

4.2　批量建模

針對同類型建筑和室外場景模型，采用批量建模方法突出構筑物三維全局圖。首先，規則的空間實體的幾何形體、表面紋理以及高程屬性進行參數化，參數化修改引擎技術，使建筑物構件的尺寸、刪除或者移動操作關聯。其次，參照構筑物實景數碼照片，在符號庫中編輯紋理、尺寸和色調，保證圖元的一致性，生成真實感場景建筑物模型。再次，對于幾何形體和表面紋理復雜的建筑物，構筑物的多邊形線段不能有斷點，生成模型質量進行檢查和控制。最后，在BIM和SketchUp軟件生成的構筑物紋理、幾何結構、色調、光照等模型，導出Grid格網數據，以瓦片方式存儲在MapGIS地理數據庫。

為保證真實場景的還原和保真度，漢中市主城區城市建筑三維模型共使用154種構件模型。場景底圖、河流面要素生成水平面，設置適當高程偏移量；河岸、臺階邊界線要素生成豎直面，設置適當高程偏移量，使場景布局無縫銜接。綠化喬木、路燈采用點狀要素，選擇樣式庫的三維預設模型進行批量渲染，如圖5所示。

圖5道路、建筑物、城市綠地、喬木批量建模效果圖

4.3　三維模型與實景的集成

為避免點、線面要素、注記以及顏色渲染信息在文件轉化過程中缺失，需在轉化之前將MapGIS 10平臺下使用的符號庫遷移到SketchUp對應的圖層，進行底圖渲染。利用三維數字城市平臺中樹木、道路、建筑紋理、帶高度的修飾物模型，根據構筑物實際場景對三維坐標(x，y，z)、長度、高程、紋理等進行修改，并創建要素類結構屬性[11]，如圖6所示。

為突出建筑物三維全局場景和周邊環境的真實效果，將含有地理坐標系的全景圖像存儲在SQL Server數據庫中，實景圖片和空間實體數據分開存儲，用中間鍵進行關聯[20]，使三維場景與用戶地理位置一一對應，如圖7所示。此外，用戶也可根據場景需求，手動添加構筑物地理坐標、屬性名，查詢目標，生產建筑物全局或者局部場景。

圖6陜西理工大學南校區東門和三維效果圖

圖7　漢中市主城區實景三維模型圖

5　三維數字城市平臺的功能

基于MapGIS 10、BIM、SketchUp集成建立的三維數字城市漫游及交互平臺，不僅具有查詢統計、通視分析、空間分析、日照分析、室內漫游等功能[21]，也能夠實現建筑物指定顯示、BIM坐標轉換、BIM與其他空間數據的位置匹配、二次開發應用。三維數字城市平臺的主要功能：

(1)Web Online交互瀏覽：基于JavaScript實現三維數字城市系統界面、Web瀏覽(全圖、放大、縮小、平移)功能、建筑物可視化視圖、地圖標注和查詢功能。

(2)定位與導航：用戶位置與三維場景位置匹配，對構筑物實景的多方位觀察，且視點會隨著用戶位置的移動而移動，用戶可體會到位置感和方向感。

(3)屬性查詢：根據單一或多條件的SQL語句，查詢公共設施、道路、建筑物等空間實體屬性，查詢結果以列表顯示，可用光標選中實體目標并自動導航。

(4)三維測量：根據用戶的需求訂制，量測建筑物空間距離、住宅間距、方位、地塊面積、建筑面積等信息。當建筑物過于密集、建筑超高時，三維測量功能為樓盤面積、間距的設計提供合理的數據，顯示優化結果。

(5)三維空間分析與可視：支持洪水淹沒分析、日照分析、地形剖切、表面積和距離量算、坡向分析、可視分析功能，如圖8所示。利用粒子系統模擬噴泉、煙花、降雨、爆炸、噪聲等動態顯示效果，錄制場景漫游視頻。用戶可從多角度、多方位瀏覽建筑物三維剖面、側視圖、景觀效果。

(6)標注與幫助功能：根據不同的業務需求，用戶手動標注地物信息，增強了軟件的用戶與系統交互功能，及時更新構筑物和地表信息。

(7)云端共享能力：支持天地圖、百度、Bing、Google等數據交互訪問與調用，提高數據使用效率，降低制圖成本。用戶可利用云端數據中心將成果數據發布，實現數據共享。

圖8MapGIS三維數字城市平臺功能展示

6　結　論

本研究借助MapGIS、BIM和SketchUp三維建模工具，實現三維數字城市精細建模與批量建模，將漢中主城區實景與建筑三維場景模型無縫結合，為三維數字城市平臺建設提供了技術參考與支持。由于MapGIS 10平臺難以生成復雜城市建筑的三維模型，需借助BIM和SketchUp專業軟件實現建筑物三維模型的精細表達，而且構筑物紋理、幾何結構、色調、光照等模型，具有較好的可移植性和兼容性。在下一步研究中，將基于MapGIS平臺三維建模基礎上，增加室外場景向室內場景延伸，城市地上構筑物向地下構筑物延伸，如城市管網、暗渠、地鐵通道等。此外，結合大數據融合、虛擬可視化、激光掃描、攝影測量等技術，增強用戶界面對場景進行漫游的可讀性、可視化和交互時效，為MapGIS三維地理數據庫的海量數據管理、可視化分析提供技術參考。