数字三维城市解决方案

摘要:当前，城市信息化工作已经成为各级政府、各职能部门的主要工作内容之一，各地都在开展类似的工作，本人在规划、国土、建设、房管等部门积累了丰富的信息资源，做了一定的三维城市建设的解决思路，予以总结，形成如下文章，供正在开展此项工作的部门与组织探讨。

关键词：三维城市，智能，规划决策；

1三维城市建设目的和意义

当前，城市信息化工作已经成为各级政府、各职能部门的主要工作内容之一。各级地方政府正在广泛运用高科技构建数字城市、智能化小区、智能交通系统等，以提高城市管理水平，改善软环境。包括规划、国土、建设、房管等在内的各部门的信息化工作的开展如火如荼。在这样的形势下，建设三维城市规划系统，其主要意义在于使得决策者、设计师和用户对城市景观的现状和规划设计的描述摆脱基于二维地图（平面图）和三维实物模型的表现方式，代之以计算机辅助的三维立体表现方式，因而有直观的三维立体效果印象，这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

通过三维城市规划辅助决策系统，城市规划与管理者可以轻松随意地修改规划方案，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度等，这样不同的方案、不同的规划设计意图通过三维城市规划辅助决策系统实时的反映出来，规划者可以做出很全面的对比，并且可以快捷、方便的随着方案的变化而做出调整，辅助规划者做出科学的决定。从而大大加快规划方案设计的速度和质量，提高方案设计和修正的效率，也可节省大量的资金。三维城市规划辅助决策系统可以应用在城市规划、旧城改造、房地产开发、交通管理、公安指挥、消防调度、洪灾评估、军事指挥等部门，具有广阔的应用前景。

2 城市景观三维建模

2.1建模技术要求

数字三维模型制作涉及到城市地形、城市建筑物、城市公用设施、城市绿化地下管线等种类，而且在同一种类中也有多种类型如城市建筑各式各样，建模时应特别注意以下几点：

（1）模型突出重点、主次分明，对城市重要区域、重要建筑的特征，详细表达；对于次要地区、建筑的特征，简单表达。同时组织好模型之间的层次关系，这将有利于减少模型的数据量。

（2）根据不同三维实体模型的特点，按不同的标准，分类进行模型制作，有利于提高三维模型制作的效率。

（3）制作的数字三维模型具有很好的真实性和美观性。

2.2建设路线

在综合分析国内外“数字城市”建设相关技术的基础上，拟定实施如下技术路线图：

2.3建模流程

整个系统建模包括基础数据的获取，纹理数据的获取，模型的制作，模型的检查和成果的提交。

建模流程

2.3.1基础数据

采用无人机快速获取该区域的最新数码影像，通过数码影像恢复立体模型来生成该区域最新的DEM和DOM数据，同时采用立体模型生成最新高精度的基础地形数据。立体模型同时还可以用来准确的采集建筑物顶部轮廓并获取建筑物的实际高程。

2.3.2纹理采集

我们在虚拟化城市三维建模中使用的是模型帖纹理的方法，用这种方法的好处是可以节约数据量，同时也增强模型的逼真度和可观赏性，所以纹理也是3D模型栩栩如生的关键。

1、数码拍照

场景的影像获取可以采用选择一栋较高而且比较中心的建筑利用高清晰数码相机进行手工高空拍摄，再用数码相机对建筑物四个方向的手工拍摄，可以获取比较清晰的影像。

2、纹理库构建

城市的建筑风格不同，决定着建筑物纹理上存在差异，因此要建立三维城市模型纹理库，必须要研究建筑特点及建筑物的风格，在此基础上概括出纹理库内容。通过上述的研究和长期的实践经验我们概括出三维城市模型的纹理库包括以下主要内容：

1）墙面：

⑴ 按颜色分：红色墙、白色墙、粉色墙，淡黄色墙、灰色墙等；

⑵ 按质材分：马赛克墙、瓷砖墙、大理石墙、玻璃墙、水泥墙、砖墙等。

2）门：

⑴ 按用途分：防盗门、车库门，旋转门、卷帘门、店面门等；

⑵ 按质材分：玻璃门、铝合金门、不锈钢门、木门、铁门等；

⑶ 按单双分：单门、双门、四扇门、六扇门。

3）窗：

⑴ 按玻璃颜色分：普通玻璃窗、兰色玻璃窗、茶色玻璃窗等；

⑵ 按材质分：铝合金窗、塑钢窗、木窗、不锈钢窗等；

⑶ 按形状分：圆形窗、半圆形窗、老虎窗、菱形窗、方型窗等；

其中⑵、⑶中根据玻璃颜色的不同又可分为若干种。

4）建筑材料：

⑴ 瓦：红色琉璃瓦、绿色琉璃瓦、红色铁瓦、黑色陶瓦、灰色陶瓦等；

⑵ 石材：红色大理石、白色大理石、黑色大理石、普通石材等；

⑶ 玻璃：普通玻璃、兰色玻璃、茶色玻璃、绿色玻璃；

⑷ 瓷砖：红瓷砖、白瓷砖、灰砖、红地砖、绿地砖等。

⑸ 马赛克：蓝点马赛克、棕色点马赛克等

5）地面纹理：

沥青路面、水泥路面、人行道地砖等。

6）其他纹理：钟、取款机等

根据纹理库的分类，选择有代表性的建筑物拍摄纹理，拍摄时应选择好时间、角度，并尽量把纹理的范围“取正”，使拍摄出的纹理能够真实的反映城市建筑物的特征。

7）如何把拍摄的纹理照片建成三维城市模型的公共纹理库，是决定着三维数字城市建设的关键，建立纹理库包含以下几个方面：

⑴纹理的制作

纹理库中的纹理应该是正射的，而实际拍摄的纹理照片由于受拍摄时的光线、角度、时间的限制，拍摄出的照片大多是变形的，而且色彩与真实物体也有所不同，因此需要利用图象处理软件对纹理照片进行处理，包括在影像上选择要采集纹理的大致范围、裁切（粗切）、色彩的一般调整、纹理影像纠正、纹理修补、纹理裁切（细切）、色彩调整和数据调整等过程。

纹理库建库流程图

⑵纹理数据大小的确定

一般一个建筑物建模完成需要几种甚至十几种纹理，如果纹理库中的每一种纹理数据增加一点，那么整个数字城市模型增加的就是海量数据，直接影响系统后期的管理与应用。但纹理数据过小又会影响到建筑模型的精细质量；因此，在实际工作中通过认真的研究，以及按照采购文件的要求，确定纹理数据大小的原则为：采用文件格式为JPG、DDS格式（不透明），文件大小为2的幂次方，其中n为正整数，如128×128、256×512等尺寸，组合纹理大小一般不超过512×512大小。简单的纹理数据应小于20k，如单色的墙面，小的玻璃窗、瓦等纹理，这类纹理在粘贴纹理时主要用平铺的方法；复杂的纹理数据应小于40k，如三扇玻璃窗，门等纹理，这类纹理在粘贴纹理时主要是单独使用；对于标志纹理与其他纹理有所不同，它往往代表了一个行业的标志，其细部要表现出来，因此这类纹理数据控制在150k左右，不能太小，否则会影响到三维模型的效果。一般情况下贴图纹理分辨率应满足：主要建筑360像素/平方米；一般建筑144像素/平方米。

2.3.3 模型建设

中国的各类城市基本还处于规划建设时期，对于新规划的建筑物可采用设计单位提供三维设计模型，通过加工处理变成完整的三维模型；对于已建好的建筑物可采用已有的基础资料根据实际情况建模。

一、模型的组织

在建模时应特别注意以下几点：

a、模型主次分明，突出重点。对于重要的建筑、重要的特征，详细表达；对于次要建筑、特征，简单表达。同时组织好模型之间的层次关系，这将有利于减少模型的数据量。

b、根据不同三维实体模型的特点，按不同的标准，分类进行模型制作，这样有利于提高三维模型制作的效率。

c、制作的三维模型具有很好的真实性和美观性。

三维建模主要流程如下图所示

三维建模流程图

二、建筑物模型的制作规定

(1)在建筑物模型制作过程中，先分析建筑物的结构特征和装饰造型，如楼顶、主体、底座，同时还要考虑楼体的门、窗高度，门、窗的数量和门、窗的大小等。当在制作复杂建筑模型时，最好主体与屋顶分开来建模，像搭积木一样，如某部分模型建做坏了,可重做以免浪费时间。要充分利用3dsmax的建模辅助工具（如：单位设置、捕捉、变动数值输入、拉伸等），以提高建模的速度和质量。

(2).建筑物高度参数

如果采用无人机航飞获取基础数据，则可通过立体模型进行高度采集，否则，采用下列方法确定。

楼体高度的拉伸参数视楼层的层数和楼层的高度而确定。

楼层的层数：一般可从地形图上获取或实地调查；

楼层的高度：可从建筑设计图上获取，国家规定了不同建筑物楼层的标准高度，仅供参考。

三、城市景观模型库构建

现实世界的复杂性决定了对其进行数字化三维表达的复杂性，在区域范围较小、建筑物数量较少的情况下，可以实现每栋楼的信息采集，但在大范围的情况下，工作量急剧增加，必须依靠适当的抽象手段。由于建筑材料和建筑工艺的有限性，建筑物的特征表现如外表颜色、质地、屋顶构造、屋檐形状等都可以总结归纳为一些特定类型。

城市景观模型库由四部分构成：包括建筑物模型库、建筑物纹理库、地面覆盖纹理库和附属物模型库。其中，建筑物模型库包括屋顶、标志性建筑物室外楼梯台阶等；建筑物纹理库包括顶面纹理、墙面纹理、门窗纹理等；地面覆盖纹理库包括植被、水系、主干道路和人行道及其它地面；附属物模型库包括有空间位置独立的事物，如路灯、垃圾桶、邮筒、电话亭、红绿灯、站牌、道路指示牌等，将其分为市政实施、交通指示和其它独立地物三类。

四、模型导入场景

模型构建完毕后，将所有的模型导入到系统中，并对其进行适当的编辑、修改后，就搭建出真实、可量、可测并进行分析的城市三维景观，如下图所示。

三维景观效果图

3结论

全球化、信息化是未来城市经济发展的总趋势，实现城市信息化是一个城市融入全球化浪潮的必要条件。城市信息化最显著的特征就是“数字城市”的建立。数字城市是综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体和虚拟仿真等高技术乎段，对城市的基础设施、功能机制等进行采集、动态监测竹理和辅助决策支持的技术服务系统。数字城市具有使城市地理、资源、生态环境、人口、经济、社会等系统数字化、网络化、虚拟仿真、优化决策和实现可视化等强大功能。通过上述数字三维城市解决方案，可以为人们在处理城市复杂系统问题时，能帮助人们更好地建立全局观念。

4 参考文献

［1］孙春生.吴军.陈丹青. 三维城市建模中的建筑墙而纹理快速获取.武汉人学学报(信息科学版).2005, 30( 9):766- 768.

［2］孙成忠.刘召芹.三维城市模型纹理库建设技术研究.测绘通报.2004, 29（6）: 22- 25.

［3］孙庆辉，赵军喜，张毅等.数字城市的三维景观系统构建。地球信息科学，2003 ( 3 )

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。