数字城市中街道景观主体三维可视化的快速实现研究

摘要:城市景观重建与三维可视化是当前地理信息系统的重要研究内容之一,本文研究基于GIS的城市三维景观可视化关键技术和系统框架。文章所提出的系统框架和关键技术已被成功应用到实际项目当中,可作为构建相关系统的参考。

关键词：数字城市、景观设计、三维可视化、研究

中图分类号：P901文献标识码： A 文章编号

引言

数字城市三维模型和城市空间地理信息是综合利用计算机虚拟现实技术、仿真技术、GIS技术和数据库技术,通过有机的结合实现城市三维再现,并建立人机实时交互操作的空间信息系统。三维的城市空间地理信息技术将以其鲜明的技术特点和应用前景,在城市的建设规划管理中发挥巨大的作用。

一、城市景观三维可视化系统关键技术

1、三维景观模型的建立

（1）DEM数据。DEM数据使用了国标格式,处理方法是先使用Micro station软件把DEM数据展绘到通用的dun格式的文件中,再使用ARCGIS软件的三维分析模块,把dun文件转换成栅格数据grid格式,然后利用ARCTOOLS中的数据转换工具把grid格式数据转换成需要的uses格式。利用航空相片,通过数字测量工作站制作数字地面高程模型(DEM)及正射影像(DOM),两者通过地理坐标叠加套合,生成地表模型。此外DEM也可采用地形图上的等高线生成。

（2）由全数字摄影测量工作站采集三维的二进制模型数据。利用航空相片,通过数字测量工作站制作数字地面高程模型(DEM)及正射影像(DOM),两者通过地理坐标叠加套合,生成地表模型。此外DEM也可采用地形图上的等高线生成;需要用Photoshop软件把tiff格式的文件转换成bmp文件才能使用。

（3）导入模型数据,生成初级三维景观模型,然后对模型进行编辑和贴纹理,建筑物顶面的纹理可以从航空像片及DOM上提取,侧面的纹理要用数码相机在实地拍摄。对于独立地物(如树、电杆、花坛等)可用VRMODEL或3DMAX单独建立,力求形象逼真。

（4）对三维模型按地物类分类。大致可分为建筑物、街道(包括路坎)、独立地物(包括树、路灯、花坛等)、三维注记等;将三维模型与地表模型精确套合,在统一的坐标体系中逼真表现三维景观,从而为三维空间信息的查询和分析奠定了基础。

2、城市实体数据采集与数字建模

城市实体的数字建模对建筑物的楼高精度有较高的要求,因此需要使用航测方法测量建筑物的高度信息。使用四维公司JX4等摄影测量软件。

（1）建筑物纹理采集。采集建筑物外表纹理的同时,收集建筑的相关属性信息,包括建筑物四面的全景照片(可以从侧面拍照,但必须是全景)、建筑物名称、门牌号、建筑物数量等。如果是小区,精确到小区内的楼号如“江山路居委会小区4#楼”,并在地形图上标示出来。其中的模型编号在后面解释。

（2）楼高采集。基本要求:①所有数据不可以有交叉、打结、回折(桥梁和道路,河流的交叉除外,等高线和其他三维数据的交叉例外);②同一地物分段采集或者地物和地物连接时必须是三维捕捉,不可以有悬挂节点;③对水平地物(宅地界、水田、湖池等)进行采集时高程要锁定;④比高差大于1.5m的陡坎、斜面等必须采集上下线;⑤地物间共边线要复制生成,以保证数据之间的一致;⑥地物框架线数据格式为三维的DXF格式。

（3）房屋采集方法。①房屋顶部采集。表述房屋顶部特征的框架线均要采集,弧状特征线采用多段线采集,采集密度应保证弧线特征不失真。②房屋侧面采集。房屋侧面框架线采集时,应尽量采集立体观察下能够看到的侧面棱线部分。③房屋底部采集。采集立体观察应能够看到的房基边线,当能够完整采集房屋的2条以上基线时,尽量采用直角采集法,自动获取房屋的剩余基线。房屋底部不可见的建筑物,在房屋周围的地面上采集一条直线,作为房屋的底部高程;④重叠房屋采集。建筑物边线不得交叉采集。⑤屋顶的屋脊线。屋顶的屋脊线以直线表示,如果建筑物上有多个屋脊线,则有几条测几条。⑥屋顶的其他设施。如果屋顶上还有其他设施如电梯间、水箱等也需要把这些设施的外轮廓测量出来。⑦临街建筑的裙房、建筑物的网点房需要测量其顶部轮廓和相邻地面的高。⑧楼高的确定。在采集建筑物海拔高的同时,在建筑物周围,测量几个点构成建筑物底座平面,此面具有的高度即为建筑物底座的海拔高。把建筑物顶部的海拔高与底座高相减,就能够得到建筑物的相对高度,即楼高。⑨路灯、广告牌等点状地物要严格按照实地位置放置。在外业采集建筑物纹理的同时收集这些地物的确切位置,在地形图上标示出来。⑩数据质量检查。采用AutoCAD在三维状态下检查数据是否有飞线,如果有数据问题,则要进行编辑处理或重新采集。

二、城市景观规划三维可视化系统操作与分析

1、城市景观规划三维可视化系统结构

该系统提供完整的三维空间数据制作与维护机制;系统建设是开放式、易升级、可自行维护和持续建设的;突显三维与GIS的魅力,能有效地辅助规划设计、规划审批;提供数字城市网络服务,提供多种信息形式;具有数字城市级、省级的三维精细模型数据、高精度地形数据、高精度影像数据的承载力。

2、城市景观规划三维可视化系统功能

（1）可视化三维城市查询。可以通过城市景观三维可视化系统直接点击查询查出所有的项目。选择项目树中的某一个项目时,右侧自动跳转到文档栏,并按文档类型分类列出当前项目所有的文档。

（2）三维数字城市的动态显示。三维景观模块用于统一管理规划过程中的各种三维规划效果图或视频文件, 可更方便地从宏观上了解规划效果,指导规划工作。添加景观文件可以利用项目树中的三维景观分支,调出三维景观管理对话框,选择需要添加的文件,根据需要填写文件名和文件说明,点击“确认添加”按钮,视频文件即可添加到数据库中,点击“删除视频”或“导出视频”按钮可以删除或者导出当前视频文件;浏览景观文件是在三维景观管理窗口中点击某行记录的表头部分,或者双击项目树三维景观下某条视频文件分支,系统自动调用相关播放器播放视频文件。

（3）信息。信息栏用于向社会各界大连市规划局的工作动态、规划进展情况,并通过Internet获取用户反馈意见。通过信息平台还可以城市规划方面的法规文件,让公众更好地了解城市规划工作。该栏目分信息动态、意见反馈及法规查询3个主要子栏目,并提供世界时间、万年历等辅助功能。

（4）规划统计。规划统计专门用于统计分区规划图层中的地块规划情况,点击统计>>规划统计菜单,在地图上任意画多边形,如果已经加载分区规划数据,则显示各种规划类型地块的面积及占总面积的百分比,以便统计规划工作的进展情况。如果没有加载分区规划数据,将会弹出提示框。图层对比,只需要把需要对比的图层分别放在左、右2个地图窗体的最上层即可。当重新点击对比分析菜单时,右侧地图窗口中的所有数据自动清除,窗口恢复原状。

三、结语

综上所述，系统提供可视化三维景观查询、三维数字景观动态显示、城市景观评价等操作和分析功能。通过直观的三维模型和强大数据支持为城市规划,城市规划建设等行业提供强有力的应用工具。建立城市景观三维可视化系统,此系统不仅可以应用到景观规划设计、景观评价等方面,还可以帮助决策者进行景观的管理工作,以便更好的维护城市景观及其相关设施。

参考文献：

朱庆 李德仁 龚健雅：《数码城市GIS的设计与实现》，《武汉大学学报（信息科学版）》,2001年26期

朱英浩 张祖勋 张剑清：《基于MapInfo的城市3维可视化GIS》,《测绘通报》,2000年07期