傾斜攝影三維模型結合VISSIM交通仿真的應用
——以長沙市梅溪湖片區高精度交通仿真為例

龍元

長沙市規劃勘測設計研究院，湖南長沙，410000

0 引言

隨著技術進步和城市規劃管理水平的提高，近年來三維城市、數字孿生的概念成為城市規劃的熱點，高效構建立體三維模型來描繪城市逐漸成為重要工作。傾斜攝影技術因其可以全面、高效地采集表面圖像并生成相關模型和數據而被廣泛應用于三維城市建設中。傾斜攝影測量技術是最近幾年崛起的國際測繪技術，它從根本上推翻了傳統的正面攝影在垂直角度上拍攝的局限性，通過在一架無人機上安裝盡可能多的傳感器，從多個角度去拍攝以達到采取地理信息的目的，最后帶給客戶最真實的視覺上的感受。作為城市規劃的一部分，交通規劃領域對傾斜攝影模型的應用還處在靜態展示道路現狀和展示現場地形的程度。本文以長沙市梅溪湖片區核心區高精度交通仿真為例，提出用傾斜攝影產生的三維模型與數據，配合VISSIM交通仿真，產生具有動態效果和美觀價值的交通仿真演示[1]。

1 交通仿真中三維模型的應用

1.1 交通仿真的概念

交通仿真，即利用專業軟件，對目標區域交通參與者的行為做出模擬，以表現某一時段區域內交通運行情況，并獲取交通運行指標。VISSIM仿真軟件是一種基于時間步長和駕駛行為的仿真軟件，可以模擬不同的交通組織方案以及信號配時方案，精度達到車道級，模擬人流與車流的交互情況，并測試和評估各種交通參與者的運行情況，輸出交通運行指標。本次采用VISSIM進行仿真，因其不僅可以輸出交通運行指標，還可以輸出仿真中所有交通參與者的行為數據，包括每個交通參與者的唯一編號、名稱、式樣、時間坐標以及位置坐標，且以上輸出數據能夠導出至3ds max軟件進行渲染。

1.2 三維模型在交通仿真中的應用

在傳統交通仿真中，從業者往往使用較為簡單的模型對交通環境進行模擬，除使用軟件自帶的標牌與信號燈外，常自建簡單模型來模擬周邊建筑，或使用衛星貼圖來表現。在項目中交通仿真若脫離三維模型，則美觀效果一般，展現時也常因為周圍環境的缺失使觀察者無法直觀地感受到建筑設施造型、地形起伏、多層道路高差等與設計交通運行情況息息相關的因素，如圖1所示。

展現交通仿真運行的每一個角度都是獨有的，且這里的個體都必須是實體，并能夠360°環繞觀察，無法通過渲染引用物體或假貼圖來減少文件體積和渲染工作量，因此應用于交通仿真的模型需要準確、實際且易于生產，用于進行三維模型和仿真渲染的硬件配置需求較高，如圖2所示：（a）假貼圖替代部分模型，但只能單面觀察，非實體；（b）必須建立實體才能實現多角度拍攝，鏡頭環繞時才能展現不同角度圖像。

1.3 傾斜攝影構建三維模型的優勢

1.3.1 建模效率高

傾斜攝影建模效率遠高于普通建模，不論是常用的BIM軟件還是三維建模軟件，大片區模型建設時單體建模和植被建模的工作量極大，難以實現自動化生產。傾斜攝影生成的模型可以通過軟件自動拼接生成大范圍實景三維模型。同時旋翼無人機、固定翼無人機甚至車載手持掃描設備均可以對對象進行數據采集，數據來源多樣，數據輸出成果可以合成。

1.3.2 視覺效果好

傾斜攝影來自表面掃描，通過坐標在虛擬空間中用不規則三角網格構建實景模型，表面圖像與現實世界表達一致，來自超高清晰攝影圖片。在虛擬空間中，傾斜攝影所生成的三維模型展示效果接近人眼成像效果。使用Revit、3Droad、3ds max或草圖大師等軟件建立規劃道路模型與傾斜攝影模型拼合后，能夠展示道路所在區域的類實景效果。

1.3.3 數據可讀取

傾斜攝影采集生成的數字高程模型DEM（digital elevation model）疊加數字正射影像DOM（digital orthophoto map），采用Context Capture軟件對地面分辨率為3cm的傾斜攝影影像及像控資料通過空三建模生產實景三維模型數據。傾斜攝影三維模型數據格式有多種，目前市面上生產的傾斜模型，常見的有OSGB格式、OBJ格式、STL格式和FBX格式。這些文件格式之間大多可以通過專業軟件相互轉換，具體采用何種格式應結合道路三維軟件選擇，目前使用比較廣泛的是OSGB格式[2]。三維模型采用多細節層次（LOD）技術，層次設計為20層，利用該技術能夠詳盡地表達建筑物細部結構特征及獲得高效率的渲染運算。通過傾斜攝影生成的三維實景模型較傳統的衛星航拍地圖更加精確，包含更多的信息，如道路中心線標高、道路標牌信號燈位置等，這類信息又可以反過來被用于交通仿真的構建[3]。

1.4 傾斜攝影與交通仿真的結合方法

OSGB模型通過EPS（清華山維）軟件轉換為3ds max可進行讀取的格式，將高精度道路模型嵌入三維模型中，形成交通設施模型與周邊實景環境模型的組合，交通仿真在這個模型中運行，如圖3。

2 長沙市梅溪湖片區高精度仿真應用實例

長沙市梅溪湖片區是湖南湘江新區重點建設片區，區內擁有梅溪湖文化藝術中心、梅溪湖公園城市島等重要人文人居建筑設施。片區三維實景模型面積為5km2，主要市政道路總長度約5.5km，包括4處平面交叉口（十字交叉口3處，丁字交叉口1處）、橋梁引橋1處；以梅溪湖為中心，周邊山林、水域、湖心島、居民區和文化藝術中心均包含在內。

2.1 傾斜攝影數據獲取

數據獲取部分的工作主要包括航飛及像控點測量、地面三維建模及模型修飾、數字正射影像DOM和數字高程模型DEM制作四部分內容。航飛采用垂直起降無人機系統執行，無人機搭載5角度2400萬像素鏡頭，單個曝光點像素可達1億2000萬。受無人機續航時間限制，將片區劃分為20個500m*500m的正方形進行航測作業，航飛航線根據遙感影像進行選取，在地勢較高、地面平坦無遮擋的高度和位置，于天氣晴朗的日子將無人機放飛。設計航高為250m。項目正射影像與DEM成果分幅按照1∶2000圖幅進行，數據基準采用CGCS2000國家坐標系（中央經線114E），1985國家高程標準。航測工作時間約為14個工作日。獲得DOM（分辨率0.1m）和DEM（網格間距1*1m，國標NSDTF格式）數據后通過Context Capture進行實景三維建模，并將模型轉換成OSGB格式。三維及DEM數據成果|M平面|≤0.5m，|M高程|≤0.5m，DOM的平面精度|M平面|≤0.2m[4]，如圖4。

2.2 三維模型建模

獲得OSGB格式的場景模型后，不可以直接用于仿真，需要進行處理后才可作為三維模型使用。

2.2.1 數據處理

在DOM格式的原始數據中，需要根據仿真道路的坐標提取道路中心線的坐標和高程數據，根據仿真所需精度，按照10m間距在實景三維模型文件中獲取系列標高，標高數據用于在VISSIM軟件中確定虛擬路段的位置和高度起伏，將導出的坐標與標高放入VISSIM路段的3Dpoint表中生成符合實景高度變化的道路面，如圖5。

2.2.2 與道路模型結合

將OSGB格式轉換為OBJ格式，與相關貼圖一起導入3ds max軟件，確定紋理貼圖正確后，將其轉為可編輯的max格式。片區路網高精度地圖使用3ds max軟件進行建設，將掃描出來的路面、標志標線、信號燈等交通設施重新建模，道路模型的標高和高差，以及交通設施的所在位置與現實世界完全一致[5]。

將傾斜攝影得到的三維模型中的道路面刪除，調整模型中錯亂的網格面，傾斜攝影由于掃描時段和光照變化所產生的模型內部差異需要手動進行消除。將道路模型與實景三維模型合并，填充道路周邊出現空缺的面，并附上相近紋理，使道路模型與環境模型銜接。如下圖6、7。

2.2.3 體積壓縮

通過以上程序建成的三維模型總面數達到一千一百萬個，文件大小達到5.8GB，為節約資源，加快渲染速度，對模型進行了減面處理和紋理壓縮，使用Deep Exploration軟件進行精度壓縮，并將文件二次從max轉換至OBJ格式，保證靜態模型貼圖的準確。優化后模型總大小約2.9GB。

2.3 VISSIM交通仿真

2.3.1 道路建模

在VISSIM仿真中首先需要根據真實道路環境建立道路面模型，道路中心線坐標與高度來自傾斜模型DOM抽取的數據，之后根據道路設計圖紙或實景圖片將車道和交叉口等設置在VISSIM中進行還原，并根據車流量設置信號配時。

2.3.2 車流人流建模

片區路網內的交通參與者分為公交車、小汽車、出租車、非機動車與行人五類，每類參與者的行為特性不同，理想移動速度不同，交互作用原理不同。片區車流組織相對簡單，四處交叉口均設置為信號控制交叉口，行人與非機動車使用同一個信號，并在各處交叉口節點設置檢測器對運行指標進行檢測，如圖8。

2.3.3 仿真數據導出

VISSIM仿真運行前，勾選記錄ANI.TXT文件，車流人流的軌跡數據通過.TXT格式的文件導出，每時間點下方的數據代表這時間點內這個仿真文件中出現的交通參與者的唯一編號、模型名稱、模型角度、類型、坐標，如圖9。

文件格式如下：

2.4 在3ds max中實現傾斜模型和交通仿真的融合

2.4.1 渲染器選擇

本應用中選擇了Autodesk公司的3ds max軟件作為融合傾斜模型、道路模型和仿真運行的平臺，3ds max軟件是主流使用的一款建模渲染軟件，加裝Vray渲染引擎后，通過計算光子反射效果將軟件中的場景進行烘焙著色，能夠較好地模擬太陽光照的場景，并產生陰影，基本保留原始模型的貼圖細節和分辨率，使畫面效果與肉眼觀測實景類似。經過Vray渲染后的動畫可以輸出多種格式，與其他同類型軟件對接，有助于未來在VR和AR領域的擴展應用。

2.4.2 數據導入

數據導入前需準備好車輛與行人的個體模型，單個模型與導入數據的唯一標志和名稱對應，根據時間和坐標在不同幀顯示不同的狀態，幀數變化伴隨模型狀態變化，展現出車流人流的動態效果。

VISSIM仿真軟件輸出的TXT格式文件可以通過自帶的腳本導入3ds max并生成動畫，導入時選用了24幀/秒的主流幀率。在仿真演示記錄ANI.TXT中記錄了800~1200s時間段內仿真中所有交通個體的軌跡數據，導出仿真運行TXT文件大小約0.5GB，通過腳本導入3ds max大約需要65min，如圖10。

2.4.3 環境參數構建

將仿真數據導入后，模型與交通流均顯示在軟件窗口，此時運行動畫，已可以顯示交通流在三維模型場景中的運行情況。但為了輸出成果視頻，需要對模型渲染環境和參數重新設置，預設交通運行情況是天氣晴朗的下午，因此在模型中新建平行光代替全局光，新建高位聚光燈光作為產生陰影的光源。

2.4.4 漫游攝像與渲染

視頻漫游鏡頭以高視角為主（鏡頭高度20~100m），在交叉口等重點位置關注停留，車輛等待信號燈期間攝像頭高度下降拍攝行人步行過馬路。使用的攝像機為目標攝像機（target camera），攝像機鏡頭焦距43.5mm，視野45°。本次應用主要為體現交通仿真在三維模型中的渲染效果，因此全程未分鏡，連續展示道路交通運行情況。

2.4.5 輸出成果

視頻渲染硬件為HP圖形工作站一臺，CPU為Intel Xeon（R）Silver 4210 @2.20GHz *2，顯卡為RTX5000，顯存為16G，導入3ds max的仿真運行為3000步長，對應現實中的5分鐘。渲染器共輸出圖片2400幀，按照24幀/秒標準幀率，將幀圖片集成后生成視頻總長度100s。渲染耗時平均43秒每幀，總耗時28小時40分鐘。

本次輸出交通仿真視頻截圖如圖11所示。

3 結語與展望

傾斜攝影模型和VISSIM仿真的綜合應用成果提升了交通仿真的美觀性和真實性，滿足觀看者身臨其境的需求，使交通運行從靜態展示轉向動態展示，觀眾能夠直觀感受交通的流動，同時保障了交通仿真既可生產展示效果視頻又可生產數據指標。

本文提出了一種新思路，即充分整合利用現有數據和軟硬件，通過跨學科交叉應用，實現高精度高美觀度的交通可視化。方案中所應用的這些軟件常用于不同的專業，傾斜攝影常用于勘察測繪行業、VISSIM用于交通行業、3ds max常用于影視特效行業，本方法取各專業的可用功能與技術，得到的交通仿真展示效果具有強烈的視覺沖擊力。

未來需要進一步提高模型場景生產的效率，簡化交通仿真融合流程，為高精度交通規劃仿真無障礙對接VR和AR、參與數字城市建設打下基礎。