数字城市三维建模.pdf

1 数字城市简介数字城市简介 定义定义:以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、 全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、 多时空和多种类的三维描述， 即利用信息技术手段把城市的过去、 现状和未来的全部内容在 网络上进行数字化虚拟实现。 美国前总统戈尔于 1998 年 1 月 21 日提出了数字地球的概念之后， 中国学者特别是地学 界的专家认识到“数字地球”战略将是推动我国信息化建设和社会经济、 资源环境可持续发展 的重要武器，并于 1999 年 11 月 29 日至 12 月 2 日在北京召开了首届国际“数字地球”大会。 从这之后， 与“数字地球”相关相似的概念层出不穷。 “数字中国”、 “数字省”、 “数字城市”、 “数 字化行业”、“数字化社区”等名词充斥报端和杂志，成了当前最热门的话题之一。甚至许多 省、市把它作为“十五”经济技术发展的一个重要战略来抓。国家测绘局在 2000 年全国局长 干部会议上明确提出，测绘局系统今后一个时期的主要任务是构建“数字中国”的基础框架； 海南、湖南、山西、福建等省都已正式立项启动数字海南、数字湖南、数字山西、 数字福建工程，其他省区的立项也在紧锣密鼓地筹划之中，而数字城市的立项更是如火如 荼。 辽宁省辽宁省: 抚顺,本溪,阜新 沈阳,大连,锦州,营口,盘锦 国家测绘与地理信息局已经批准 绥中立项已经申报 1.1 数字城市数字城市 1) 基础地理信息数据的更新与完善基础地理信息数据的更新与完善 通过航空摄影、数字摄影测量、地形图数字化与更新、已有数据标准化处理、数据建库 等作业手段，进行基础地理信息数据的建设完善。 基础地理信息数据库的组成 按照国家基础地理信息数据库基本规定CH/T 9005-2009 的标准规划，基础地理信 息数据库有基础地理信息数据、 管理系统和支撑环境三部分组成， 一般包括现势库和历史库， 其中基础地理信息数据按类型分为大地测量数据、数字线划图数据、数字正射影像数据、数 字高程模型数据和数字栅格地图数据五个分库， 分库又根据比例尺和分辨率的变化细化为子 库，子库也可根据要素分为若干层；管理系统和支撑环境是数据存储、管理和运行维护的软 硬件及网络条件。 市级数据尺度包括 1：2000，1：1000 和 1：500，见图 1。大地测量数据包括三角（导 线）测量成果、水准测量成果、重力测量成果以及 GPS 测量成果等。数字线划图采用高斯- 克吕格投影，按 3 度分带，矩形分幅，其规格为 50cm50cm 或 40cm50cm，主要内容包 括测量控制点、水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质、地籍 和地名等。数字高程模型的格网间距为 2.5m。数字正射影像数据包括航空摄影测量影像和 航天遥感影像， 其中航空像片的影像数据， 经逐像元进行几何改正， 按 50cm50cm 或 40cm 50cm 标准图幅范围裁切和镶嵌生成，地面分辨率为 0.2m；航天遥感影像可以为全色的、 彩色的或多光谱的，按地面分辨率分为 30m，15m，5m，2.5m，1m，0.5m。 图 1 数字城市基础地理信息数据库组成 2)地理信息公共平台建设地理信息公共平台建设 数字城市地理信息公共平台是基于网络运行的、 能够满足城市政府及其部门和企事业单 位信息化以及社会化服务空间定位需要的集成系统。 具体建设内容包括平台数据集、 平台服 务系统、数据制作系统等内容。 3) 应用示范建设应用示范建设 基础地理信息数据库管理系统软件； 采用地理信息管理软件，进一步开发设计的空间数据管理系统，具备数据转入、转出、 编辑、查询、统计、分析、专题图、输出、更新、日志、备份等功能。 地理信息公共平台服务系统； 地理信基于ARCGIS软件平台，进一步开发形成具备分布式地理信息基本应用服务、 OGC标准服务、服务聚合发布、数据交换服务以及二次开发接口等功能的服务系统。 应用示范工程: 国土资源局、规划局、环境保护局、旅游局和社会公众等五个方面开展应用示范，包括 基准地价管理信息系统、阜地下管网管理信息系统、污染监测 GIS 管理信息系统、旅游资 源管理信息系统、地理信息公众服务系统。通过示范项目取得经验及应用模式，在政府及其 各部门全面推广。 基准地价基准地价 以地理信息公共平台为基础， 有机集成地理空间信息和基准地价专题信息， 将土地定级、 基准地价评估与更新、宗地地价评估、地价信息的管理等集成于一体,实现土地定级、基准 地价评估以及地价管理的规范化、标准化、自动化和智能化。 地下管网管理信息系统地下管网管理信息系统 以地理信息公共平台为基础， 建立市地下管网信息数据库， 通过平台提供的二次开发接 口，实现对地下管网的查询检索、数据维护、横剖面图、纵剖面图、专题图制作等功能，为 地下管网的规划、设计、管理提供决策支持。 污染监测污染监测 GIS 信息系统信息系统 以地理信息公共平台为支撑，以污染源监测数据、污染视频监测数据为基础，通过应用 模型与软件分析，实现污染监测信息的录入、存储、更新、空间查询、模型分析和可视化表 达等系统功能，为环保的综合管理提供决策支持。 旅游资源管理信息系统旅游资源管理信息系统 以市地理信息公共服务平台为基础， 实现对旅游资源的信息化管理， 为各地区的旅游业 及其他行业和部门在旅游研究、区域开发、资源保护等各方面提供基础数据和平台。 地理信息公众服务系统地理信息公众服务系统 基于经技术处理后可以公开的公众电子地图， 用地图可视化的方式展现了行政区域、 地 理环境和各类社会兴趣信息，实现面向公众的地理信息服务。 4) 三维数字城市三维数字城市 三维数字城市已经成为一个地区乃至一个城市信息化水平的重要标志。城市的快速发 展，需要有新的技术辅助和支撑城市规划、建设与管理。传统的二维电子地图在空间和视觉 表现上有很大的局限性， 难以实现城市规划设计管理可视化的要求。 三维数字城市建设与应 用综合运用了三维地理信息技术、计算机可视化技术和数据库技术的基础上，以城市三维 空间数据为载体，充分采集和整合城市规划与建设信息资源，建立面向政府、规划管理部 门、建设单位的综合应用管理平台，目的是为城市规划、建设、管理与服务水平的提高和 城市的可持续发展提供支撑和保障。 三维数字城市建设与应 用综合运用了三维地理信息技术、计算机可视化技术和数据库技术的基础上，以城市三维 空间数据为载体，充分采集和整合城市规划与建设信息资源，建立面向政府、规划管理部 门、建设单位的综合应用管理平台，目的是为城市规划、建设、管理与服务水平的提高和 城市的可持续发展提供支撑和保障。 1.2 三维数字城市建设中的关键及问题三维数字城市建设中的关键及问题 三维数字城市中三维数字城市中: ? 数据是数字城市的核心物质基础数据是数字城市的核心物质基础 数据标准 数据生产工艺 ? 软件平台是系统运行的基础保障软件平台是系统运行的基础保障: E 都市、都市圈、城市猎人到 Google Earth, Skyline、World Wind 国内国内: 京国遥新天地信息技术有限公司开发的 EV-Globe、适普软件有限公司的 IMAGIS，灵图软件技术有限公司的 VRMap、武汉地大信息科技发展有限公司的 InfoEarth,TelluroMap,高德等。 性能 功能 ? 行业应用是系统的生命力所在行业应用是系统的生命力所在 但目前但目前,三维数字城市建设过程中普遍存在的问题三维数字城市建设过程中普遍存在的问题: ? 批评和质疑声音不绝于耳 花瓶、昂贵的城市名片、除了看看没有用 原因一：数据覆盖范围与业务需求不匹配原因一：数据覆盖范围与业务需求不匹配 只建设城市核心地带三维数据 城市经济活跃区往往位于城乡结合部 深层原因：建设成本高、建设速度慢 原因二：软件难以支撑大数据量管理和多类型数据整合原因二：软件难以支撑大数据量管理和多类型数据整合 原因三：缺乏结合业务的行业应用原因三：缺乏结合业务的行业应用 ? 在三维数字城市建设过程中在三维数字城市建设过程中, 数据是三维数字城市的核心 . 但现实世界纷乱复杂，三维建模如何取舍？ 道路、建筑物、纹理、城市部件、绿化 真实与美观之间，哪个更重要 随着数字城市的建设, 三维数据已成为基础测绘产品类型,三维数据已成为基础地理 信息, 国家测绘局发布了征求意见稿. 2 三维模型制作标准三维模型制作标准 2.1 基础地理信息基础地理信息 三维模型产品规范三维模型产品规范 建筑物几何表现标准建筑物几何表现标准 种类 级 级 级 图示级级 女儿墙 主体建 模 主体建 模 影像纹 理 影像纹 理 影像纹 理 屋顶重 要装饰 精细建 模 主体建 模 主体建 模 影像纹 理 影像纹 理 封闭阳 台 主体建 模 主体建 模 主体建 模 贴图表 现 主体建 模 主体建 模 综合阳 台 主体建 模 主体建 模 主体建 模 主体建 模 凹面阳 台 精细建 模 主体建 模 贴图表 现 贴图表 现 开放阳 台 精细建 模 精细建 模 主体建 模 主体建 模 合理表 现 护 拦 透明贴 图 透明贴 图 透明贴 图 一般出 入口 主体建 模 贴图表 现 贴图表 现 贴图表 现 贴图表 现 下穿结 构 主体建 模 贴图表 现 主体建 模 贴图表 现 不表现 种类 级 级 级 图示级级 门廊 精细建 模 主体建 模 主体建 模 不表现不表现 支柱 （墩） 主体建 模 主体建 模 主体建 模 不表现不表现 门檐 主体建 模 主 体 建 模 主体建 模 贴图表 现 不表现 檐廊 0.2m 主体建 模 0.3m 主体建 模 0.5m 主体建 模 1m主 体建模 不表现 底商 屋檐 0.2m 贴图表 现； 0.2m建 模表现 0.3m 贴图表 现； 0.3m建 模表现 0.5m 贴图表 现； 0.5m建 模表现 贴图表 现 不表现 立 面 突 出 物 、 装饰 贴 图 表 现 不表现 大型台 阶 精 细 建 模 主 体 建 模， 台 阶 贴 图表现 主体建 模， 台阶贴 图表现 影像表 现 不表现 普通台 阶 精细建 模 贴图表 现 贴图表 现 不表现不表现 种类 级 级 级 图示级级 烟囱 直径 0.5米的， 高2米 精细建 模 主体建 模 主体建 模 主体建 模 主体建 模 门口装 饰物 精细建 模 精细建 模 不表现 不表现不表现 吻兽 透贴表 现 透贴表 现 不表现 不表现不表现 雀替 透贴表 现 透贴表 现 旗杆 建模表 现 不表现 不表现 不表现不表现 纹理贴图表现标准纹理贴图表现标准 三维模型产品类型三维模型产品类型: 三维地形景观三维地形景观 三维模型景观三维模型景观 2.2 具体标准具体标准 根据具体需求,制定在几何表现上和纹理贴图的精细程度要求. 除了以上建筑模型标准之外,还应该制定道路,水系,植被的等的建模标准. 此外,在三维模型制作过程中,还应该进行建模单元划分与编码标准的制定及模型命名的规 定. 4.1 建模单元划分与编码建模单元划分与编码 4.1.1 城市三维模型建模单元的划分应符合下列规定：城市三维模型建模单元的划分应符合下列规定： 1 应以相对稳定的自然地形地物为界，并应保持边界的稳定性。 2 应与管理单元统筹考虑， 并应结合行政区划界线， 方便项目实施及基础资料收集整理。 3 应考虑城市历史、景观、生态等控制要素的相对完整。 4 所有建模单元应完整覆盖建模区域，无缝衔接。 4.1.2 城市三维模型建模单元的命名应符合下列规定：城市三维模型建模单元的命名应符合下列规定： 1 城市三维模型建模单元宜按“区（县） 、管理单元、建模单元”三级进行划分。其中， 管理单元可以是街道（乡、镇）等行政管理单元，也可以是规划管理的分区；建模单元宜以 道路围合区域（如街坊）为单位。 2 建模单元命名应由行政区划、管理单元和建模单元顺序号三部分组成。 以阜新市为例: 市各区主干道为界， 适当人为划分若干网格并对其进行编号， 采取字母与数字结合方式， 使命名唯一且具有可扩充性，注意编写相应编号表格以供查询使用。 如细河区中华路地段辽宁工程技术大学的建模单元编号为如细河区中华路地段辽宁工程技术大学的建模单元编号为01，则建模单元名称可命名 为 ，则建模单元名称可命名 为“XHQ-ZHL-01”。 4.2 模型命名模型命名 4.2.1 城市三维模型及纹理的命名应符合下列规定：城市三维模型及纹理的命名应符合下列规定： 1 命名应正确、合理、简明。 2 宜使用字母和数字组合命名。 3 所有模型及纹理的命名必须唯一。 4 命名规则应具有可扩充性。 4.2.2 城市三维模型的命名应符合下列规定：城市三维模型的命名应符合下列规定： 城市三维模型命名宜按“建模单元名称（在不出现重名情况下可适当省略） 、模型名称或 顺序号”进行编码，建模单元名称应符合本规范第4.1.2 条的有关规定；模型顺序号可根据实 际情况自行编号并注意编写相应编号表格信息。 如辽宁工程技术大学博雅楼可命名为如辽宁工程技术大学博雅楼可命名为“XHQ-ZHL-01-byl”或或“ZHL-01-01”。 （注：博雅 楼自行编号为 。 （注：博雅 楼自行编号为01） 4.2.3 城市三维模型的纹理应与模型名称相对应，可采用模型名称加贴图内容的方式，如窗 户的纹理贴图可为“模型名称-ch”；也可采用模型名称加顺序号的方式，如一个模型使用了3 张纹理，则其使用的纹理命名分别是“模型名称-01、模型名称-02、模型名称-03”。 3. 三维建模工具分类三维建模工具分类: (1)使用使用CAD软件建模。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。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。专业软件建模。如MutiGen Creator. (4)OpenGL开发。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。 4. 三维数据采集方式(从数据来源上分类) 生产工艺 工艺特征 优点 缺点 地形图 ? 基于大比例尺 地形图 ? 人工估算楼高 ? 地面建模 ? 灵活 ? 场景简洁 ? 工艺简单 ? 高程精度低 ? 地形整合难 度大 航空摄影测量 ? 立体相对提取 模型 ? 真正摄影像作 地面 ? 顶部纹理从影 像上提取 ? 精度高 ? 成果类型多 ? 场景真实 ? 效率高 ? 依赖航摄 ? 工艺复杂 激光雷达 LIDAR ? 机载激光雷达 获取数据 ? 自动提取模型 ? 纹理外拍贴图 ? 高程精度高 ? 成果类型多 ? 自动化程度 高 ? 成果类型丰 富 ? 依赖航摄 ? 影像质量差 ? 工艺复杂且 不成熟 ? 细节表现差 数据采集车 ? 车载 lidar 和相 机采集 ? 手工建模 ? 灵活 ? 适合城市部 件采集和导 航数据采集 ? 遮挡问题不 易解决 ? 建模工艺不 成熟 基于地形图、CAD 图三维场景 基于激光雷达的生产工艺基于激光雷达的生产工艺 基于航空摄影测量，快速建设城市三维数据 ? 工艺特征 ? 航拍高分辨率影像（5-15cm） ? 立体相对下提取建筑物模型 三 维 建 模 模型矢量化 叠加地面纹理(正射影像) ? 顶部纹理自动提取 ? 纹理外拍贴图 ? 侧面纹理半自动提取（实景模型） ? 将真正射影像作为地面基础 采集生成 DEM 生成 DOM 生成 TDOM纠正了建筑物的倾斜与遮挡满足三维场景美观度的需求。 矢量采集: 利用全数字摄影测量系统下采集建筑物的平面几何高程信息,即通过摄影测量立体量测 的方式进行建筑物结构三维数据批量采集(DLG) 采集的矢量数据自动生成 3D 模型 利用原始影像数据，进行建筑物顶部纹理的提取，生成基础模型 对照外业采集的建筑物照片，对基础模型进行测立面的修饰与贴图或者通过影像直接提取纹理对照外业采集的建筑物照片，对基础模型进行测立面的修饰与贴图或者通过影像直接提取纹理. 精细场景制作 模型数据与模型数据与 DEM、TDOM 数据相叠加，完成城市三维场景的整合数据相叠加，完成城市三维场景的整合 一次性完整获取数字城市基础数据库一次性完整获取数字城市基础数据库. 影像纹理影像纹理 烟台烟台 淄博淄博 精细模型精细模型 成都成都 精细模型精细模型 5. 三维模型的编译与发布三维模型的编译与发布 三维模型建好后,需要将其与已有的 DOM,DLG,DEM 进行整合,并且进行编译与发布. 5.1 数据准备与处理 城市地理空间数据库已有的高分辨影像数据、 地形数据、 矢量数据等进行某实验区的真 三维场景制作。 例如:AnGeo 软件的数据处理工具是 AnGeo Data Suite ，它主要包括两部分：Terrain Builder 是地形、影像、矢量、搜索等基础数据的编译和发布工具集；Model Builder 是三维 模型的编译和发布工具集，主要是针对批量模型进行坐标转换、错误检测和模型优化。 5.2 影像数据的编译与发布 采用纠正后且附有坐标信息的高分辨率影像，作为构建真三维场景的基础底图。 使用Terrain Builder进行影像编译是将多源、多时相的影像数据进行统一的坐标投影， 然后以遥感影像的分辨率为依据进行分级重采样， 将重采样的数据建立影像数据金字塔， 进 行无缝拼接处理，最终输出AnGeo运行数据格式。在编译过程中要进行编译级别设置，设置 坐标系和投影系统。此后将编译好的数据进行发布，过程中要设置发布数据的目标路径、待 发布数据的路径，并选择有关发布参数。 5.3 地形数据的编译与发布 将 DEM 处理后进行编译与发布，注意编译级别的设置及与上层数据（dem china）的融 合。 5.4 三维模型数据的编译与发布 为了更准确、详尽地把城市三维景观展示出来，Angeo 软件提供了其与专业三维建模软 件 3ds max 的转换工具，可以方便地进行场景中真实模型的建立，且能满足准确度及效果逼 真的要求。将某市地理信息基础数据库中附有坐标信息的矢量图导出为.dwg 格式，并加载 至 3ds max 软件，以此作为底图进行三维模型的建设，这样便拥有正确的地理位置信息，避 免了逐个模型调整纠正的麻烦，提高了工作效率。 待影像、地形、三维模型数据发布成功后，在待影像、地形、三维模型数据发布成功后，在 AnGeo Uniscope Server 进行 所有数据的数据服务配置，主要包括数据路径设置、数据