数字城市三维建模关键技术研究

摘要：三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验，以三维数字城市为研究对象。探讨了数字城市中三维建模的主要内容和相关建模方式，并以实例的方式实现了三维建筑物建模，结果表明该思路能满足实际应用。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：数字城市 三维建模

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2012)03(a)-0000-00

1 引言

“数字城市”的概念来源于“数字地球”，它是“数字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解层面和切入角度上的差异，目前仍很难对“数字城市”内涵作确切的定义。但随着对“数字城市”理论与技术的研究及应用探索的不断深入，人们对它的认识将会逐渐趋向统一，并形成对它的标准定义。

三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立，可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合，分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能，将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新，对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策，具有十分重要的作用和意义。

2三维建模技术现状

三维城市模型(3DCityModel，3ocM)是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂，但人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类：

2.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用DEM生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统(如ArcView、MapGuide)己经具有这种2.5维的地形显示功能。

2.2 基于2DGIS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法：

（1）在二维GIS的基础上，直接添加一些信息(如房屋高度、墙面纹理等)，使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，另外没有考虑DEM。（2）DEM和二维GIS结合的方式，这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具真实感。（3）部分2DGIS系统(Arc/Info)发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的真实感程度不够。

2.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异，纯三维构建3DCM方式分以下不同方法：

（1）利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；（2）利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；（3）利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。

3 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取，实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑，三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体，也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识，增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用，用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能，尤其是与虚拟现实技术的结合，使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

3.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源,这些数据源包括：(1)规划建筑物的设计图纸及文档资料。(2)城市数字地图(地形图、地籍图等)和2DGIS数据库。(3)摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据，而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。(4)遥感数据。

就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有：二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

3.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下：

(1)使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能，是当今二维图形绘制软件的主流工具，这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱，不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确，有精确尺寸定义,但数据结构复杂、数据量大，不支持与地形的叠加，不支持属性定义,主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。(2)常用动画软件建模。如3D MAX等，模型表达精细，建模工具丰富，但是数据结构复杂，数据量大，不支持与地形叠加，且不能交互编辑查询，仅限于动画浏览。(3)专业软件建模。如MutiGen Creator软件功能强大，支持大面积地形建模，支持建筑物建模。模型数据结构简洁，可以在运行过程中进行交互操作，实时计算动画场景，通过开发，可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细，数据交互编辑、查询能力较弱。(4)OpenGL开发。使用OpenGL＋VC模式，通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前，在实际应用技术中，较为普遍和实际的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

3.省略技术，开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息系统，从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能，为决策部门提供辅助决策。

4 应用

本次实验以“skyline”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模，以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件skyline作为开发平台开发演示系统。

4.1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，删除不必要的图层，仅保留建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层，提取其中的等高线图层，然后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。对快鸟影像进行纠正和投影变换，并使用Photoshop进行调色处理，使其符合美观自然的原则，作为地形纹理或者说是三维城市的“底图”。

4.2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，提高效率。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3DSMAX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。

4.2.1 普通建筑的建模

在Skyline 系列的TerraExplorer Pro软件中加载之前生成的地形数据集，导入建筑物矢量数据，按照高度属性进行拉伸处理，得到建筑物体块。由于数据源的时间差问题，可能会存在少量的建筑物与遥感底图中显示的建筑物不匹配的问题，需要使用TerraExplorer Pro中的3D-Building功能，在建筑物的位置上进行三维建模，使建筑物体块与遥感底图一致，并辅以简单统一的纹理。对于处于城市地块内部的大量建筑群可采用这种方式进行建模。

4.2.2纹理映射

建筑物的纹理包括侧面和顶面两部分，分别通过近景数码照片提取和影像提取的方式。试验区内拍摄有大量的建筑近景照片，需要在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。根据试验可以得出：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。对纹理图片进行处理之后，在TerraExplorer Pro软件中选择沿街建筑的相应立面，进行纹理映射，添加纹理，增强了城市三维表达的真实感。

5 结论

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨，总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法，并以实例的方式实现了三维建筑物建模和，结果表明在数字城市建设中，主要把握数据获取、三维建模和模型的与应用三个环节，即能较好完成数字城市工作，使其满足实际应用。

参考文献

[1] 朱庆,林珲.数码城市地理信息系统――虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉：武汉大学出版社,2004.

[2] 胡鹏，黄杏元，花一新.地理信息系统教程[M].武汉：武汉大学出版社,2007.