数字三维城市建模技术研究

摘 要：本文介绍了三维城市建模需要的数据条件及手段，并介绍了关于数字城市三维建模的关键技术、工艺、纹理方案，并介绍了在建模实际过程中应该注意的原则、数据规范及质量要求。

关键词：数字城市；三维建模；

中图分类号： O343.2 文献标识码： A 文章编号：

1概述

随着计算机技术的不断发展，城市规划等领域对地理信息数据的要求也越来越高，以二维数据为主体的GIS应用，已经不能满足城市专业应用的空间数据表现形式，一种更加直观的、所见既所得的三维空间数据逐渐成为一种崭新的、客户热衷的数据表达方式，它将成为数字城市的核心数据。三维数据既弥补了二维数据的不足，并提供了直观的表现，又展示了城市空间形态的要点和亮点，使城市地理、资源、环境、生态、经济等实现可视化，在规划和管理上提高了效率。

2 三维城市所需的重要数据

为数字城市提供的重要数据：

2.1 数字线划DLG

2.2 数字高程模型DEM

2.3 数字正射影像DOM

3 数字三维快速建模的关键技术

3.1 地形数据的高保真提取

3.2 各类影像的正射影像制作

3.3 高精度矢量信息提取

3.4 工业级的三维数据快速建模生产

3.5 标准数据格式的转换

3.6 海量三维场景数据的漫游浏览及应用开发

4 数字三维模型几种建模工艺

4.1 批量建模：目前最为廉价高精度的、快速城市三维批量建模工艺。

特点：场景真实，建模精确，建模速度快，成本低廉，可以扩充根据要求实现纹理粘贴的精细建模。

4.2 建精模：成本高，城市三维逐个建模。

特点：场景极为真实，纹理、线条，所见即所得。成本高，建模速度慢。

5 城市三维建模建筑物纹理的几种处理方案

5.1 自动批量建粗模

5.2 自动建模按照一定规程加纹理

5.3 自动建模加手工纹理照片粘贴

5.4 手工建模照片纹理粘贴

6 三维模型的建立

6.1 地形建模

地形建模的方法主要是采用在某地区的DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示。对DWG地形图进行处理，提取其中的等高线图层，对等高线数据进行内插处理，生成地形DEM。这一过程可以在AutoCAD和ArcGIS中完成。对影像进行纠正和投影变换，用符合美观自然的原则来进行调色，成为三维城市底图。

6.2 建筑物建模

对于大区域的建筑群进行三维建模时，需要对不同类型的建筑物进行分别建模，对于城市片区内部的建筑以简单纹理的体块表示；沿街的主要建筑需要在体块的基础上添加照片纹理，增强真实感；对于结构复杂或者重要的标志性建筑可使用3DMAX进行单独建模，赋以精细的结构和纹理。这样处理不仅会提高建模的效率，而且减少了数据量，有利于三维场景的显示和漫游。

6.3 普通建筑的粗模

将处理好的建筑物数据与楼层标注信息进行空间关联，给建筑物赋以楼层属性，并按照一定的规则比如米，比如层数，并辅以简单统一的纹理，或者按照素材库来按照颜色来贴图。

6.4 纹理映射

纹理的意义可简单归纳为:用图像来替代实体模型中的可模拟或不可模拟细节，并提高了模拟逼真度和显示速度。建筑物纹理是建筑物三维模型的重要组成部分，它的质量决定了场景的整体效果与纹理细节，并最终决定场景的逼真程度。需要拍摄大量的建筑物近景照片，并在Photoshop中对近景照片进行处理,主要是综合利用裁剪、拼接、自由变换和拉伸等一些基本操作。处理后的照片最好保存为JPG格式,以减少数据量,同时图像的分辨率应调整为2的幂次方,图像的大小也应该尽量小于100KB。而建筑模型的顶面纹理则是从遥感影像中采集的。

6.5 特殊建筑

城市内一些结构复杂的建筑或是标志性建筑，不能采用自动拉伸的方法建模，如古建筑、桥梁、大型雕塑等诸如此类的不规则物体及其标志性建筑物都需要进行单独的建模。在3DMAX中对这些建筑进行单独建模，赋以精细的结构和材质。

6.6 其它建模部分

对树木的处理，采用透明纹理的方法，而不是立体模型，这样做的目的主要是考虑到数据量的问题。目前通用的方法是采用交叉面纹理或是单个纹理表现单个树木，本研究采用单张纹理的方式。当采用此方式时，树木的显示为广告牌技术，即不论场景怎么旋转，对象总保持面向屏幕和观测者。对道路和绿地的处理，可以采用真实纹理的方式，也可以用单一颜色填充表示。

7 总体要求

7.1采集原则

7.1.1几何数据采集原则

① 选用的已有测绘资料应满足建模现势性和精度要求，不能满足要求时，应按有关技术规定进行更新测量。

② 平面和高程数据的采集，应符合现行相关技术规定。

7.1.2纹理采集原则

① 应选择光线较为柔和均匀的天气，按正视角度进行拍摄，避免逆光拍摄。

② 应拍摄地物所有部位的表面影像。有重复单元的表面，宜拍摄局部。无重复单元的表面，应拍摄完整表面。对结构复杂或无法正视拍摄的表面，应进行多角度拍摄，并利用图像处理软件进行纠正和拼接处理。

③ 应根据不同细节层次的模型以及相应的精度及表现要求，确定拍照需要表现的细节。

④ 应拍摄有代表性的表面影像制作通用纹理或示意纹理。

7.1.3属性数据采集原则

① 现状建筑均应具有相应的属性。

② 属性数据采集宜与几何数据、纹理数据的采集同步进行。

③ 属性数据必要时应进行实地校核检查，保证建模地物的属性信息正确完整。

7.2数据格式

三维模型数据的主要内容主要包括模型的几何数据、纹理数据、属性数据和元数据。上述数据应符合下列规定：

7.2.1DEM、DOM 的数据应符合国家现行技术标准。

7.2.2 地形模型、建筑模型、道路模型、植被模型、水系模型、地下空间设施模型和其他模型的数据采用的数据类型及其数据格式参照有关规定。

7.3数据质量要求

7.3.1概述

三维模型数据质量应采用数据质量元素描述。数据质量元素包括完整性、几何精度、属性精度、现势性和逻辑一致性等方面内容。对于数据源、数据加工过程、数据内容取舍和数据更新维护过程等涉及数据质量的相关内容应有记录文档。

7.3.2完整性要求

① 三维模型数据要素应全面完整，不应有遗漏。

② 三维模型数据要素不宜有冗余。

③ 不同类型、不同细节层次数据的拓扑关系应完整、正确。

7.3.3模型数据规范

模型数据规范主要是针对已经完成的建模成果来进行分类，以及精度评级。对模型数据的规范化，主要是为了使模型数据有明确的类型和等级划分，从而方便用户根据地理信息系统的项目需求来判定该建模产品能否符合要求。

7.4建模单元划分与模型命名规则

7.4.1建模单元的划分

①划分原则

a. 应以相对完整的自然地形地物为界线，保持边界的稳定性和地理要素几何上不被切割。

b．应与管理单元、行政区划界线统筹考虑。

c．应考虑建模单元历史、景观、生态等控制要素的相对完整。

d．建模单元应具有空间覆盖特征，既完整覆盖建模区域，又无交叉。

7.4.2模型命名原则

①命名规则应具有可扩充性

7.4.3模型要素表现复杂度级别

三维模型可以分为两种类别：地形表现和模型表现。其中，模型表现的地理要素可以根据表现的复杂精细程度分为三个级别：细节建模表现、主体建模表现与符号表现。这三种复杂度级别将在模型整体复杂度分级评价中，作为衡量的标准。

7.4.4细节建模表现

细节建模表现是指对地理要素主体结构、细部结构进行精细几何建模表现，外立面纹理通常采用能精确反映物体色调、饱和度、明度等特征的影像或照片。

7.4.5主体建模表现

主体建模表现是指仅对地理要素主体进行几何建模表现，植被、栅栏栏杆等模型仅用单面片、十字面片或多面片的方式表示，外立面无纹理（白模），或采用能基本反映物体色调、饱和度、明度等特征的影像或照片纹理，或纹理库中纹理图像。

7.4.6符号建模表现

符号表现是指用三维模型符号库中预先制作模型符号来表现地理要素，该模型符号仅有位置、角度、尺寸及长宽高比例可以改变。

7.4.7模型交付产品精度级别要求

模型交付产品精度级别要求，指的是对建模工作的整体工作成果的评价和定级标准。通常情况下，模型复杂度可以划分为四个级别，分别是：精模、中模、简模和低简模。一般比较常见的是中模和简模。精模通常用于比较小的场景展示，简模通常用于远处的模型或地块里面（不贴近道路的地方）非主要的模型，而低简模主要用于陪衬性的示意性物体。

7.4.8模型数据制作规范

为了保证模型加载到三维场景的效率和显示的效果，在进行模型制作的时候，有一些注意事项和优化措施。

8 模型制作的注意事项

8.1 对于模型的底部与地面接触的面，也就是坐落在地面上的建筑底面都应该删除。模型落搭时相对被包裹的小的面要删除。

8.2 严格禁止模型出现两面重叠的情况，要删除模型中重合的面，不然会造成重叠面在场景中闪烁的情况。

8.3 模型Z轴最低点坐标要在0点以上，地面同理。

8.4 对模型结构与贴图坐标起不到作用的点和面要删除以节省数据量。

8.5 创建模型时，利用捕捉使模型的点与点之间相互对齐，不要出现点之间有缝隙或错位导致面出现交叉的情况，避免场景漫游时发现闪面或破面的情况影响效果。

8.6 在保证场景效果的前提下尽量减少场景的数据量。曲线挤压的时候要注意线的段数。必要时候可以使用折线形式来代替曲线。

8.7 模型的网格分布要合理。模型中平直部分可以使用较少的分段数，曲线部分为了表现曲线的转折可以适当的多分配一些。模型平面边缘轮廓点分布尽量均匀，否则容易使模型破面或产生其他问题。

8.8 如有平面物体表面有黑斑时，应取消这几个面的光滑组。对于曲面要统一曲面的光滑组，避免烘焙的时候贴图出现黑色接缝。

8.9 模型做好后，不应存在辅助的虚拟物体。

8.10 对于有重叠结构且边缘不用贴图细致表现的模型可以采取落搭的方式制作以节省数据量。

8.11 对于需要做成片叠加在物体表面的模型（如大厦立面悬挂的广告牌），与物体的立面要有一段距离，保证导出的重叠面不闪烁，同时在侧面不能看到特别明显的两个面间的距离。用面片制作栏杆的模型，用通道贴图来表现栏杆的透明效果。模型烘焙时不支持双面，栏杆不可以给双面材质，所以需要在MAX中原地复制一个物体并反转法线作为栏杆的另一个面。圆柱边数一般要控制在10以内，柱体顶底2面要求删掉。具体情况根据建筑的级别以及柱子的位置直径决定。（具有独立支撑结构，位置显著、直径较大的柱体分配边数相对较多，一般柱体边数分配6个即可）。

9 贴图制作注意事项

9.1 使用Standard标准材质,材质类型使用Blinn。除Diffuse通道后可加贴图外其他通道不能加贴图,其他参数也不能调节，用max默认设置。

9.3 不能在材质编辑器中对材质的透明度进行调节，材质的透明度靠贴图的通道来实现。

9.4 贴图使用tif文件格式，工程中贴图文件命名不能含有空格。贴图长宽方向必须符合2的幂次方。如32x32、64x128等。贴图最大尺寸不要超过512 x512，最小尺寸不要小于16。

9.5 表现建筑栏杆等镂空效果时需要给贴图创建一个Alpha通道，全透明部分（栏杆中除杆外的透明部分）在通道中表示为黑色；不透明部分通道中表示为白色；灰色代表半透明，如玻璃。

9.6 模型贴图坐标不能出现拉伸现象，不能出现UVW坐标丢失的现象。渲图时不支持双面贴图。模型完成后不能出现贴图丢失的情况,要对贴图重新指定。

9.7 一个物体不可以对应多张烘焙贴图，只能对应一张烘焙贴图。保证贴图的透视关系矫正准确，所有贴图的门窗、层高线、字体、建筑立面等必须保持横平竖直，清晰可见。

9.8 贴图如有眩光的必须对眩光进行效果处理。文字贴图在保证文字清晰可辨的情况下最大限度的缩小贴图。贴图不清晰的情况下要手工勾画出门窗的轮廓，表现出门窗的清晰效果。

9.9 一张贴图内不能出现两个或多个相同的重复元素，只能一个重复元素为一张贴图。同一建筑上的不同贴图要协调。同一墙体需要不同贴图制作时要保证贴图色调、质感上的统一，不能出现明显的拼接感。不能出现同层窗户高度不平的情况。层高线的高度要一致。横向各建筑面的砖纹要能对齐，同一面上的纵向纹理也应对齐。

10 基础数据准备工作

建模工作开展之前，应首先确保基础数据的准备工作，基础数据的准备工作包括下列内容。

10.1现状三维模型制作资料

现状三维模型制作材料包括以下内容：

10.1.1 CAD 平面图文件

10.1.2 建模区域内现状的航空影像数据、遥感影像数据及其他类型影像资料。

10.1.3 建模区域内现状地理要素的有关高程资料。

10.2其它辅助资料

其他的辅材料包括以下内容：

10.2.1 规划报建项目整体的总平面图文件。

10.2.2 设计方案资料，包括建（构）筑物的平面图、剖面图、立面图等资料及相关说明文件。

10.2.3 设计方案效果图，包括项目整体鸟瞰效果图、俯视图、透视图以及所有楼型外立面效果图等。

10.2.4 设计方案的外立面色彩参数。

10.2.5 设计方案的三维模型以及模型对应的纹理数据。

10.3模型制作软件要求

10.3.1制作软件要求

软件：3Ds max

版本：9.0

单位设置：单位要求为米（Meters）

10.3.2贴图处理软件要求

软件：Photoshop

版本：不限

10.3.3 MAX 插件要求

清空浪费材质球插件，检查 UV 属性插件及一些辅助使用的插件。

11 结论与展望

随着计算机和虚拟现实技术的发展，三维城市的这种可视化技术已经应用到很多行业领域，而三维建模则是这项技术当中最重要的过程部分，能够掌握三维快速建模并达到要求，才能够更加真实的反应现实世界。

参考文献

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[2]曹传芬.虚拟城市三维建模的理论与方法研究[D].长沙：中南大学，2004

[3]祁向前.数字城市三维建模数据处理研究[D].太原：太原理工大学，2003