三維建模技術在市政設計可視化中的應用初探

黃 悅，焦漢科，趙 元，林旭芳

（1. 廣州市增城區城鄉規劃與測繪地理信息研究院，廣東 廣州 511300）

長期以來，城市規劃管理只有二維平面孤立環境下的“原始”決策手段，無法對有待審批的單體景觀效果與現實環境區域景觀進行比較，制約了城市規劃的科學決策。三維可視化是空間信息管理的熱門技術，可利用空間地物的三維坐標數據和表面紋理數據，對城市建筑、園林綠化、道路橋梁等進行直觀顯示。通過三維建模，能直觀反映報審項目與其周邊城市現狀環境的空間關系，能審視報審項目與周邊環境是否協調。三維技術的利用可為規劃設計與審批提供科學的決策依據。傳統的三維數據生產具有工作量大、周期長、費用昂貴等問題，一直是制約三維技術應用的主要因素之一。隨著無人機技術、傾斜攝影技術、激光掃描技術、并行計算、云計算、云平臺技術的發展，三維數據生產模式有了巨大進步，大大降低了三維數據生產的周期和成本，使其能應用于越來越多的行業和領域，如不動產、土地確權、三維地下管線、文物保護、電力巡線、智慧旅游、智慧社區、公安應急、消防應急等。

無人機傾斜攝影建模、三維激光掃描建模等新型三維建模技術與3ds Max、SketchUp 建模等傳統手工三維建模技術各具優缺點，適合的應用場景也有所不同。本文主要介紹了無人機傾斜攝影建模與3ds Max手工建模技術在市政設計三維可視化中的綜合應用，使得傳統二維平面設計圖、效果圖模式向真實三維場景模式轉變，設計方案表達更形象，有助于輔助方案評審和領導決策。

1 三維建模技術

根據數據獲取和建模方式，三維建模技術可分為傳統手工三維建模、基于規則的三維建模、傾斜攝影三維建模和三維激光掃描建模4 種[1-2]。傳統手工三維建模方式，模型表現精細靈活，可對現狀建筑或規劃建筑進行建模，但工作量大、建模周期長、更新復雜；基于規則的三維建模方式，可實現批量化處理，方便調整、易于重用、建模效率高，但模型精細化表現較復雜，適用于對模型精細度要求不高或可進行分類建模的領域；傾斜攝影三維建模方式具有建模效率高、周期短、成本低的優勢，但對模型細節的表現有待提高，需進行模型單體化處理和精修，僅適用于現狀場景建模，對規劃未建建筑無法建模；三維激光掃描建模方式具有非接觸式、高效率、高精度的優點，但點云數據較大、處理復雜，自動進行紋理映射的技術還不成熟，在點云數據采集方面，需要綜合采用地面激光掃描和低空激光掃描，才能采集比較完整的地物激光點云[3]。各種建模方式各有優劣，在應用中需根據具體需求采用相應的技術路線，通常可采用多種建模方式混合應用的方法，如將傾斜影像、激光點云生成的三維幾何模型轉換到3ds Max 軟件中進行模型細化和紋理貼圖，通過傾斜影像生產城市大范圍的現狀模型，對重要地物進行模型單體化和精修，或采用3ds Max 軟件對地標性建筑進行精細建模，共同為數字城市、智慧城市建設等提供真實三維場景數據。各種三維建模方式對比如表1所示[4-5]。

表1 各種三維建模方式對比

2 三維建模在市政設計可視化中的應用技術流程

在城市景觀優化提升研究中，可綜合采用3ds Max 和無人機傾斜攝影建模技術對市政設計方案進行三維可視化，然后在三維平臺中進行數據發布、瀏覽展示。整體技術路線如圖1所示[6-7]。

圖1 整體技術路線

2.1 現狀模型—無人機傾斜攝影三維建模

1）外業航飛數據采集。無人機傾斜攝影三維建模具有機動性強、成本低、精度高、效率快等優勢。目前傾斜攝影相機主要采用的是五鏡頭相機，包括一個垂直鏡頭和4 個傾斜鏡頭，垂直鏡頭用于獲取下視影像，傾斜鏡頭分別獲取前、后、左、右4個傾斜角度的影像[6]。即使沒有五鏡頭相機，采用單鏡頭或兩鏡頭相機通過設定鏡頭角度和無人機飛行航線，重復多次飛行也可采集用于三維建模的傾斜影像，采集數據與五鏡頭相機類似[8]。由于鏡頭少，無人機負荷小，續航時間相對較長，但需要重復飛行，效率較低。受限于相機設備，且建模范圍較小，本文傾斜攝影三維建模數據采用多旋翼單鏡頭無人機進行外業數據采集，無人機型號為大疆悟2，數碼相機為索尼ILCE-7R。

2） 內業數據處理。內業數據處理軟件采用Smart3D Capture。外業獲取的數據包括影像數據和GPS數據，天氣對獲取影像的色彩具有較大影響，根據采集數據情況，可先進行影像勻色調整。一般影像和GPS 數據不會完全一一對應，需要人工檢核處理，把二者對應起來，若有一個錯位，則會導致其他錯誤[6]。Smart3D Capture 軟件基于工程的思想管理數據，包含一個或多個區塊作為子項。在利用Smart3D Capture 軟件建立工程前，需將相機參數、影像名字、對應坐標、所在的文件路徑、所用坐標系等信息制作為Block表格文件；建立工程后，導入制作的Block文件，并根據區域大小刺適量的控制點；最后提交空三，設置輸出區塊名稱、成果地理參考等參數。若空三滿足精度要求，則可基于空三成果進行三維建模；否則需要檢查影像和處理參數，重新處理數據。

3）三維建模。本文的建模軟件采用DP Modeler。DP Modeler 是一套基于多幅影像進行快速、精確三維建模的軟件，可集成多種傾斜攝影、地面近景拍攝的影像和空三成果，能提供多種觀察視圖和建模工具，完成具有精確尺寸和位置的三維模型構建，交互簡單；可實現自動從影像中采集模型貼圖、模型紋理自動映射、一鍵完成模型貼圖，并支持多種模型格式導出；可與3ds Max無縫集成，進行二次修編。

在DP Modeler軟件中新建解決方案，導入數據空三處理成果，設定方案參數；然后基于方案添加建模工程，點擊“打開建模”，進入模型編輯狀態，系統將自動打開多個視圖，包括二維平鋪視圖、雙屏測圖視圖、三維建模視圖；再針對建筑進行具體建模操作；模型編輯完成，可保存為osg、obj、dpm、ive等其他格式。

2.2 規劃模型—3ds Max建模

3ds Max 軟件提供了標準基本體建模、復合對象建模、多邊形建模、面片建模、NURBS建模等多種建模方式，可根據建模對象的復雜程度靈活選擇[9]。由于規劃待建設的建筑無法通過傾斜攝影技術進行建模，只能采用3ds Max傳統手工建模方式，本文以增城區公安局規劃建設的警體館為例，介紹基于3ds Max 建模的技術路線。首先收集建筑設計方案平面圖和立面圖，一般為CAD格式；再從平面圖和立面圖中提取建模需要的圖層和相關尺寸信息，并將提取圖層導入3ds Max 軟件作為參考，進行幾何建模；然后根據建筑方案效果圖或相關素材，通過Photoshop軟件進行圖片處理，制作模型紋理貼圖；最后將處理好的紋理圖片賦予幾何模型，調整紋理細節，并進行光影烘焙。

2.3 三維場景生成

首先將DEM、DOM 數據處理發布，疊加為三維地形場景；再疊加基于無人機傾斜攝影制作的現狀建筑模型、基于3ds Max 軟件手工建模制作的規劃建筑模型、地面綠化草坪、道路模型等，生成建筑三維場景；最后根據設計方案，在城市小品模型庫中選擇合適的模型對三維場景進行細化，如在設計停車場擺放小車模型，在不同區域擺放不同樹種的綠化樹，將二維的市政設計方案在三維場景中較真實地模擬出來。基于無人機傾斜攝影制作的公安局辦公大樓模型效果如圖2所示。停車場設計模擬效果如圖3所示。

圖2 建筑物設計模擬

圖3 停車場設計模擬

2.4 平臺展示

三維模型數據生產和集成應用一般都有專業的應用平臺。StampGIS 是面向服務架構的大型三維GIS 軟件平臺，在精細化大場景渲染、高精度地形（TIN）精確表現、三維數據增量式實時在線更新等方面優勢明顯[10]。基于Stamp GIS平臺，本文通過二次開發建設了增城區三維城市規劃輔助決策平臺，包括場景瀏覽、方案審批、規劃分析、空間量算、輔助規劃等功能模塊。通過集成DEM、DOM 三維地形數據，OS?GB、3ds、obj 等格式的建筑模型數據以及GIS 矢量和地圖服務數據搭建的三維平臺，可滿足對市政設計方案的三維可視化和360°瀏覽。模擬行人行走效果如圖4所示。模擬綠化效果如圖5所示。

圖4 行人模擬

圖5 綠化模擬

3 結 語

隨著無人機、傾斜攝影、三維激光掃描以及云計算等技術的發展，三維建模技術手段有了新的突破，三維應用也越來越廣泛，已逐步成為GIS 應用的主流趨勢。本文首先對比分析了傳統手工三維建模、基于規則的三維建模、傾斜攝影三維建模、三維激光掃描建模4 種建模方式的優缺點，然后根據市政設計三維可視化的需求，提出了基于無人機傾斜攝影和傳統手工建模混合應用的技術路線，并對增城區公安局景觀提升設計方案進行了三維可視化模擬，在搭建的三維平臺中進行三維瀏覽、量算、分析。通過三維技術，使方案表達更形象，非設計專業人員也可以很直觀地感受設計方案，為領導決策提供參考。