人工建模技術(shù)在地鐵三維圖中的應(yīng)用

李存文，肖天豪*，呂寶奇

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003）

隨著鄭州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及建設(shè)國家中心城市的提出，鄭州市交通問題已成為制約其快速發(fā)展的重要問題之一。建設(shè)國家中心城市必不可少的需要進(jìn)行城鎮(zhèn)化和交通路網(wǎng)建設(shè)，且發(fā)展城市軌道交通更是解決鄭州市交通問題以及實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展最有效的途徑之一，有助于推動鄭州中心城市建設(shè)。為了有效解決鄭州市內(nèi)交通問題，地鐵公司對地鐵運(yùn)營實(shí)行智能化管理，采取有效措施方便市民出行，從而提升市民生活質(zhì)量。地鐵公司創(chuàng)造性地在鄭州市地鐵站的各出站口墻面上，設(shè)置了多處三維示意圖，通過城市三維地圖[1]將周圍的建筑物清晰立體地展示出來，并將地鐵每個(gè)出口立體地標(biāo)注在地圖上。示意圖兩側(cè)還分別標(biāo)明了附近主要道路、單位以及公交換乘信息等，大大方便了乘客的出行。三維示意圖由二維變?nèi)S解決了旅客出行不知道往哪兒走的問題。本文以鄭州市軌道交通5號線32個(gè)站點(diǎn)的三維示意圖作業(yè)實(shí)踐為例，簡述了人工建模技術(shù)在鄭州地鐵交通服務(wù)中的應(yīng)用情況，并對人工建模的方法、流程以及關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了研究，為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考和借鑒。

1 研究方法與技術(shù)

1.1 三維建模技術(shù)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，基于傾斜攝影、激光掃描和人工建模的三維建模技術(shù)體現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢，逐漸受到測繪行業(yè)的關(guān)注。動一動鼠標(biāo)，移步換景，這是三維建模帶來的視覺沖擊。

根據(jù)使用方式的不同，現(xiàn)有的三維建模技術(shù)主要包括幾何造型、掃描設(shè)備、基于圖像等。基于幾何造型的建模技術(shù)是由專業(yè)人員通過專業(yè)軟件（如AutoCAD、3dsMax、Maya）等工具，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與美術(shù)方面的知識，搭建出物體的三維模型，通常又稱為人工三維建模，有點(diǎn)類似畫家作畫。這種方式主要包括線框模型、表面模型和實(shí)體模型3種。利用三維掃描儀能自動構(gòu)建物體的三維模型，且精度非常高[2-3]，主要應(yīng)用于專業(yè)場合，但由于其需要使用價(jià)格不菲的專業(yè)設(shè)備，制作成本相對較高，成果應(yīng)用難以推廣。基于圖像的建模技術(shù)利用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)拍攝的物體在多個(gè)角度下的照片進(jìn)行自動重構(gòu)，即可獲得物體精確的三維模型[4]，其中利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模的方法是目前三維建模技術(shù)的主流[5-6]。由于三維掃描和傾斜攝影設(shè)備價(jià)格較高，且鄭州市四環(huán)行政區(qū)域內(nèi)禁飛“低小慢”航空器，因此對于小于1 km2的三維建模，選擇人工三維建模是經(jīng)濟(jì)的，也是合適的。

1.2 人工三維建模流程與技術(shù)處理

鄭州市地鐵三維示意圖的人工三維建模分為7個(gè)步驟，即收集材料、DLG數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場拍照、建模處理、貼圖處理、模型烘焙和示意圖制作。其主要技術(shù)處理包括模型處理和圖片處理。

模型處理的具體步驟為：①先獲得建筑物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再把復(fù)雜的物體拆分為簡單的形狀，然后采用POLYGON的建模方式進(jìn)行建模；②對所建模型進(jìn)行優(yōu)化，在維持模型顯示效果的前提下，采用盡可能少的點(diǎn)、面和多邊形；③若模型中有實(shí)體的重復(fù)（如地鐵站出入口、紅綠燈、公交站牌等），則創(chuàng)建一個(gè)重復(fù)部分的模型，然后在每一個(gè)3dsMax模型中進(jìn)行合并復(fù)制；④燈光文件可制作統(tǒng)一燈光和環(huán)境的燈光組對模型進(jìn)行烘焙，以后每幅圖烘焙時(shí)均可重復(fù)使用，無需每次加減調(diào)試燈光的操作。

圖片處理的具體步驟為：①利用Photoshop 8.0圖形圖像處理工具將拍攝的圖片依據(jù)輔助線進(jìn)行拉伸，使之方正；②截取整面墻的范圍，當(dāng)圖片范圍不足一面墻時(shí)，可截取一部分圖片進(jìn)行拼接、復(fù)制或通過參數(shù)設(shè)置墻體；③重新定義圖像大小，保持圖片寬度值為2N，若圖片需上下排列，高度值也需設(shè)置為2N；④通過Photoshop調(diào)整圖片像素大小和質(zhì)量，處理后的圖片尺寸由原來的11 M調(diào)整為3 M，減少了72.7 %，極大地提高了運(yùn)行速度。

2 實(shí)例分析

為了提高城市交通功能，改善市民公共出行狀況，鄭州市開始建設(shè)城市軌道交通。根據(jù)鄭州市規(guī)劃局官網(wǎng)公示的《鄭州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃修編（2015-2050）》，到2050年鄭州市規(guī)劃建設(shè)21條軌道交通線，總規(guī)模長為945.2 km。鄭州市軌道交通5號線途經(jīng)黃河路—商務(wù)西二街—九如路—龍湖外環(huán)路—盛和街—鄭州東站—心怡路—經(jīng)開第十大街—航海路—桐柏路—西站路—黃河路等，線路全長約為40.5 km，是沿城市核心區(qū)外圍邊緣的環(huán)形線路，覆蓋城市東北半環(huán)客流走廊和西南半環(huán)客流走廊，銜接中心城區(qū)各功能片區(qū)的重要地區(qū)，且快速聯(lián)系鄭州東站。

2.1 收集材料

根據(jù)地鐵公司提供的相關(guān)資料（如地鐵站出入口位置AutoCAD圖），準(zhǔn)確找到地鐵站位置，規(guī)劃出以地鐵站為中心，以1 km為半徑的范圍設(shè)計(jì)圖框，并收集范圍圖框內(nèi)的最新遙感影像。

2.2 DLG數(shù)據(jù)采集

首先將最新遙感影像疊加到CASS中，再進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)采集。以地鐵站所在的路口為中心，規(guī)劃出半徑為250 m和700 m的范圍圖框，采集的數(shù)據(jù)為250 m范圍內(nèi)的主要和次要地物要素以及250 m范圍外700 m范圍內(nèi)的主要地物要素。其中，主要地物要素包括房屋、路面、地面、綠化面、水面、施工區(qū)面、鐵路面、體育場面、停車場等；次要地物要素包括高塔、噴泉、大型地下出入口、假山、旗桿、亭子、樓梯、支柱、雕塑等。

2.3 現(xiàn)場拍照

對建模實(shí)物進(jìn)行實(shí)地拍攝，其目的在于掌握實(shí)物外觀的整體和局部特征，制作較為逼真的模型[7]。以采集完成的DLG圖為工作底圖，規(guī)劃拍照路線和時(shí)間，按照出圖順序安排路線，拍照時(shí)間應(yīng)一致，否則將導(dǎo)致照片顏色陰暗不一，影響模型制作。以地鐵站所在的路口為中心，半徑為250 m以內(nèi)的建筑物及其附屬設(shè)施需仔細(xì)拍照，半徑超過250 m的高層（7層及7層以上）和重點(diǎn)建筑（醫(yī)院、商超、學(xué)校、政府大單位等）也要拍照。拍照時(shí)應(yīng)注意收集以地鐵站所在的路口為中心，半徑為250 m以內(nèi)的建筑物的相關(guān)信息（樓層、單位名稱等），地鐵站周邊標(biāo)志性建筑要著重標(biāo)明（學(xué)校、加油站、公園、醫(yī)院、商場超市等）；半徑超過250 m的樓層也要收集。另外，每個(gè)地鐵站所對應(yīng)的公交站牌信息應(yīng)收集完整，重點(diǎn)標(biāo)志性的雕塑、高塔、假山、單位名牌等，需了解具體高度。

拍照的注意事項(xiàng)包括：①每個(gè)模型實(shí)物都要有遠(yuǎn)處的整體照片，用于觀看實(shí)物的形狀；②拍攝紋理時(shí)，盡量拍攝建筑物的正面照片，每個(gè)面都要拍攝并盡可能保證各面墻完整。

2.4 建模處理

首先對采集完成的DLG圖進(jìn)行編輯，錄入相關(guān)屬性信息，并做好數(shù)據(jù)預(yù)處理；再將處理好的DLG數(shù)據(jù)導(dǎo)入3dsMax中進(jìn)行建模，建模尺寸設(shè)置如表1所示。導(dǎo)入模型的邊界dwg文件，導(dǎo)入的線可先凍結(jié)以保證其位置不會發(fā)生偏移；在凍結(jié)線的基礎(chǔ)上創(chuàng)建建筑模型，模型位置必須與給定的模型范圍位置保持一致，地形模型邊界必須與給定的位置邊界一致。若導(dǎo)入的AutoCAD線遠(yuǎn)離3dsMax的坐標(biāo)中心位置，可在保持原始AutoCAD位置不變的情況下，將它的復(fù)本移動到3dsMax的坐標(biāo)中心進(jìn)行制作，制作完成后再將模型移動到原始AutoCAD位置。

模型數(shù)據(jù)量的要求為：能完整反映三維模型的外觀；精度控制合理；在保證三維模型視覺效果的前提下，減少模型面數(shù)和材質(zhì)數(shù)量，做到數(shù)據(jù)量的精簡[8]。按照規(guī)定處理好各模型后，檢查有沒有面包面和圖層壓蓋的情況，每幅圖上基本都有的小部件小模型（地鐵出入口、紅綠燈、公交站牌等）可搜索網(wǎng)上常規(guī)的造型進(jìn)行建模。

表1 建模尺寸設(shè)置/m

2.5 貼圖處理

三維模型依據(jù)建筑設(shè)計(jì)資料、建筑設(shè)計(jì)要求以及現(xiàn)狀照片進(jìn)行貼圖處理，貼圖應(yīng)清晰[9]，能充分反映建筑物的主要結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)建筑物的主要細(xì)節(jié)與質(zhì)感，整體感強(qiáng)。重復(fù)貼圖時(shí)，一張貼圖內(nèi)不能出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)重復(fù)元素，一個(gè)重復(fù)元素為一張貼圖。重復(fù)貼圖前后左右的色調(diào)、亮度要統(tǒng)一，不能出現(xiàn)重復(fù)貼圖的拼接感[10]。 貼圖處理主要包括房屋建筑物、地面和其他附屬設(shè)施的處理。

1）房屋建筑物的處理（只需制作西南面，東北面烘焙時(shí)看不到）。以地鐵站所在路口為圓心，半徑為250 m以內(nèi)的建筑需貼圖和精細(xì)建模：根據(jù)外業(yè)照片進(jìn)行貼圖，房外造型必須制作模型不能貼圖，頂部紋理建設(shè)需根據(jù)最新遙感影像精細(xì)制作。以地鐵站所在路口為圓心，半徑超過250 m的建筑高層也需貼圖和建模：外業(yè)沒有拍照的，可利用常規(guī)的建筑貼圖進(jìn)行制作，高層和標(biāo)志性建筑需根據(jù)外業(yè)拍照進(jìn)行貼圖制作模型，頂部紋理建設(shè)可簡化或不做。

2）路面、地面、綠化面、水面、施工區(qū)面、鐵路面、體育場面、停車場等的處理。采用已有的專門材質(zhì)進(jìn)行貼圖，每個(gè)三維模型中這些都是一致的[11]。

3）其他附屬設(shè)施的處理。根據(jù)拍照進(jìn)行貼圖制作模型，或利用常規(guī)的樣式貼圖制作模型。

2.6 模型烘焙

整幅模型制作完畢后，根據(jù)地鐵公司提供的以及外業(yè)采集的位置，可將制作的小部件、小模型（地鐵站、紅綠燈、公交站牌等）放到模型的相應(yīng)位置上，然后制作矩形圖框?qū)⒛Ｐ头譃?×5=25個(gè)部分進(jìn)行單獨(dú)創(chuàng)建。加入燈光、泛光燈、聚光燈、天光等，打開燈光文件，將模型合并進(jìn)燈光文件中，移動燈光到物體附近，使物體在燈光中心完全被覆蓋照射，再試驗(yàn)燈光效果，成功后可制作統(tǒng)一燈光和環(huán)境的燈光組（圖1），每幅圖加入后均可使用。

將模型調(diào)整為西南45°的俯視角（圖2），再將25個(gè)部分分別進(jìn)行烘焙。為了保證最后成圖的分辨率，每個(gè)烘焙模型都按照固定的烘焙輸出參數(shù)進(jìn)行烘焙，即35 mm、1.361∶1全光圈（電影）、4 096×3 112最高分辨率。將烘焙好的25個(gè)模型圖片進(jìn)行拼接處理，拼成一幅完整的圖形，如圖3所示。

2.7 示意圖制作

根據(jù)常規(guī)地鐵站三維示意圖的模式制作圖框，包括名稱、出入口的單位和路名、公交信息等。將圖框疊加到完整的模型烘焙圖形上[12]，并進(jìn)行位置調(diào)整。調(diào)整的原則為：以地鐵站位置為中心，周邊250 m半徑范圍內(nèi)的主要建筑要入圖在顯眼位置上，公交站和地鐵站要明顯，250 m半徑范圍外的標(biāo)志性建筑以及重點(diǎn)建筑（醫(yī)院、商超、學(xué)校、政府大單位等）盡量入圖[13]。

根據(jù)地鐵公司的要求，在各個(gè)需要的位置上編注相應(yīng)的信息，如地鐵站信息、公交站牌信息、道路信息、重點(diǎn)單位信息、大型商超、學(xué)校、醫(yī)院等；圖內(nèi)外所有信息標(biāo)注的樣式、背景、字體大小、字體樣式等[14]均需統(tǒng)一。在圖形上繪制斑馬線和植被綠化，沒有特別規(guī)定，專門找來斑馬線以及道路鋪設(shè)各種線型和花草樹木的psd圖片，在效果圖上進(jìn)行添加，并根據(jù)效果圖實(shí)際情況（道路鋪設(shè)和綠化形狀）調(diào)整psd圖片中實(shí)體的大小和形狀，再對示意圖進(jìn)行整飾成圖（圖4）。

圖1 統(tǒng)一燈光和環(huán)境的燈光組圖

圖2 西南45°俯視角烘焙圖

圖3 其中1個(gè)模型和組合的完整圖

圖4 三維示意圖

3 結(jié) 語

隨著數(shù)字城市建設(shè)的不斷發(fā)展和智慧城市建設(shè)的不斷深入，三維模型的作用越發(fā)突出，在整個(gè)城市信息化中的基礎(chǔ)框架和承載作用也越來越關(guān)鍵。三維作為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[15]，正以前所未有的速度向前發(fā)展，而測繪人更要去預(yù)見三維的發(fā)展趨勢[16]。隨著時(shí)間的推移，城市的地形地物將隨著城市的建設(shè)與發(fā)展而發(fā)生變化，三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性成為決定其可用性的關(guān)鍵因素[17]。在建立服務(wù)民生和管理流程優(yōu)化應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，不僅要使鄭州城市信息化成果為鄭州帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且要贏得社會政府部門的支持，使之?dāng)U大運(yùn)用到城市建設(shè)領(lǐng)域，產(chǎn)生更多的社會效益。