基于空间信息技术的城市三维快速建模方法研究.doc

基于空间信息技术的城市三维快速建模方法研究谭仁春 彭清山 邓凌雯（武汉市勘测设计研究院 湖北 武汉 430022）摘要：本文提出一种城市三维快速建模方法，以3DGIS技术所追求的精确数据为出发点，向虚拟现实所追求的逼真效果靠拢。该方法的主要思路和技术特点是充分尊重和利用现有城市测绘信息资源，通过研究各种模型要素的特点、开发各种人机交互辅助工具和制定相应的技术流程来实现即精确又逼真的城市三维快速建模技术方法。该方法既提高了城市三维人工建模的效率又保证了城市三维模型的逼真效果，在武汉市城市三维建模工作中得到有效应用，实践证明该方法方便、稳定、高效，在城市三维建模行业中具有推广价值。关键词：城市三维建模、3DGIS、虚拟现实Research of Fast 3D Urban Modeling Method based on Spatial Information TechnologyTan Ren-chun，Pen Qing-shan，Den lingwen-ling(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute, Wuhan 430022, China)Abstract: this paper put forward a fast urban 3D modeling method, which starts from accurate data pursued by 3DGIS technology and toward reality inpression pursued by visual reality. The main think and technic characteristic of this method is that respecting and utilizing urban surveying information resource, investigating characteristic of model, empoldering assistant tools and establishing workflow， in order to get accurate and vivid urban 3D model. This method enhance efficiency and ensure realistic effect of urban 3D modeling. Since the method was applied in Wuhan urban 3D modeling, it has been proved that the method is convenient、steady、efficient and should to be generalized in urban 3D modeling. Keywords: urban 3D modeling; 3DGIS; visual reality1、引言经过近十年的研究和发展，城市三维模型的建设和应用越来越普遍。就城市三维模型建设方法而言，不同专业领域和知识背景形成了多种多样、各具特色的技术方法和路线。这些不同的技术方法大致又可以归纳为两种：一种技术方法是基于空间信息技术的城市三维建模方法，这种方法的总体思路是基于测绘行业形成的数字地形图数据（DLG）、遥感影像数据（DOM）、数字高程模型数据（DEM）、激光扫描数据（LIDAR）等资源，利用DOM和DEM数据建立真实高程起伏的地表模型和地表影像，利用DLG或LIDAR数据建立房屋模型，最终形成反映区域空间形态的三维城市模型。另一种技术方法是基于虚拟现实技术的城市三维建模方法，这种方法的总体思路是以景观设计的视觉感受为出发点，有条件地利用部分测绘资源，将地表以上的地物分别作为建模对象，建立独立的道路系统、地块景观系统和房屋系统模型，并根据贴图需要将地物对象模型进一步划分成更小单元，制作完成的模型还进行烘焙处理，最终形成逼真视觉感受的三维城市模型。 a 基于空间信息技术的城市三维建模方法 b 基于虚拟现实技术的城市三维建模方法经分析认为，第一种方法的优点是：1、能有效利用城市测绘的DEM和DOM数据，能够精确反映地形起伏特征；2、能有效利用城市测绘的房屋数据，能够快速建立房屋三维模型。而缺点是：1、所生成的地表模型只能反映地形起伏的大概特征，不仅无法表达局部地形起伏的细节，还会导致平坦地区的几何数据冗余；2、所生成的房屋三维模型几何数据过于简单，无法表达房屋的特征结构；3、房屋三维模型的纹理数据组织简单，不能分解和重复使用，导致纹理数据的无限制增加，不利于三维可视化引擎的数据调度和实时展示；4、所生成的城市三维场景不够逼真，用户视觉感受不佳。第二种方法的优点是：1、所制作的房屋三维模型能够较好的体现房屋建筑结构特征和细节、纹理贴图逼真；2、所制作的地形景观包含了道路、人行铺装、绿地、花坛等模型，能逼真再现城市景观；3、利用三维渲染技术对场景进行烘焙，使场景在环境光和阴影方面进一步提高逼真度。而缺点是：1、房屋和地形景观中的道路、人行铺装、绿地花坛等模型需要人工制作完成，效率比较低、耗费比较大；2、所制作房屋和地形景观模型的几何模型面数和纹理数据量非常巨大，不利于三维可视化引擎的数据调度和实时展示。3、所制作房屋和地形景观模型没有严格参照城市测绘资源，难以保证模型的精度。1、城市三维快速建模新思路 本文在长期积累三维城市模型建设经验的基础上，结合上述两种城市三维建模方法的优点，提出一种新的城市三维快速建模方法。该方法的总体思路是以3DGIS技术所追求的精确数据为出发点，向虚拟现实所追求的逼真效果靠拢。该方法的技术路线是充分尊重和利用现有城市测绘资源（DLG、DOM），通过研究各种模型要素的特点、开发基于3DMAX等建模软件的人机交互辅助工具（如房屋模型的自动几何划分、道路几何模型自动生成和标线纹理自动映射、植被绿化模型的半自动制作等）和制定相应的技术流程来实现即精确又逼真的城市三维快速建模技术方法。2、城市三维建模新方法 城市三维建模新方法主要针对三维城市模型中最主要的房屋、道路和地块景观三大类模型的制作方法进行改进创新，以下分别介绍各大类要素的建模方法：1) 房屋建模方法 三维城市模型中房屋模型数量庞大，形态多样。房屋建模方法的确定既要有效控制房屋模型的数据量，又要达到较好的视觉效果。房屋建模方法的思路是充分利用测绘资源中的房屋边线数据，总结和归纳不同年代、不同风格房屋的特点和同性，提取房屋结构划分规则，在利用房屋边线拉起房屋模型的同时，将房屋模型进行适当的几何切分，并自动生成简单房顶，再制作房屋模型的贴图模版，利用贴图模版完成房屋模型的纹理贴图，最后人工调整部分房屋贴图，制作部分房屋屋顶结构提升房屋模型视觉效果。具体的流程如下图所示：2) 道路建模方法 道路模型是三维城市模型的骨架，也是三维城市模型平面和高程坐标控制的关键。道路模型包括交叉口、路段、道路隔离带、隔离带行数和路灯等模型。由于城市道路网络体系较好，因此城市地表高程起伏可以由道路网络节电（即交叉口）的高程来控制，交叉口与交叉口之间的路段只需控制首尾高程（极少数路段上有较大起伏时，单独调整路段高程）。道路标线也可根据宽度规则通过程序自动赋予斑马线和不同车道线贴图。具体的流程如下图所示： 其中，生成路段面模型程序是利用所绘制放样线图形和线宽属性生成对应宽度的路段面，根据路段宽度规则，完成单车道、双车道、四车道等标线贴图，完成路段首尾处（即道路交叉口处）斑马线贴图。放置隔离带行树程序是根据所制作隔离带模型的位置和高程，按照一定的间隔距离，随机插入行树模型库中指定树模型。放置隔离带路灯程序是根据所制作隔离带模型的位置和高程，按照一定的间隔距离，插入路灯模型库中指定路灯模型。 这种方法制作的道路模型能有效控制城市道路体系的真实平面和高程位置，体现城市高程起伏特征。制作的道路隔离带、行树和路灯都能够与道路起伏一致。3) 地块景观建模方法 地块景观模型是三维城市模型的单元，也是三维城市模型景观效果体现的重点。地块景观模型包括：人行道、内部道路、房屋、花坛、围墙、景观树、行树等模型。城市地块之间形态不同且无规律可循，因此地块景观建模方法程序化和批量化程度不高。本文在地块景观建模方法的改进上主要利用地块四周带有真实高程的道路模型边线来控制地块的高程起伏，根据实际情况和应用需要补充地块内部高程起伏，并在地块单元划分、快速生成随地面起伏的行树和景观树、快速生成随地面起伏路灯等方面开发了人机交互辅助工具，地块景观建模具体流程如下图所示： 4、结语 综上所述，本文以城市级三维模型网络发布与应用为出发点，以各种城市测绘成果为数据源和坐标控制指标，以三维模型成果几何面数量和纹理贴图数量为成果数据量控制指标，以虚拟现实的城市空间逼真效果为视觉控制要求，经过反复研究和实验，总结出一套城市三维快速建模方法。该方法有以下几点创新之处：1) 改进基于空间信息技术建模方法利用DEM或离散高程点来控制地表起伏特征的方法，通过制作具有精确高程的道路网络来控制区域起伏特征。该方法既通过地物特征来有效控制高程起伏，又降低DEM网格所产生的海量冗余数据。2) 提出并实现自动化程度较高的房屋三维模型制作方法。该方法能够根据房屋特征生成房屋几何模型单元，还能够有效利用贴图模版重复获取纹理。这种方法既有效控制房屋模型的数据量，又能逼真体现房屋特征。3) 利用DLG数据对地块进行精确地功能分区（花坛、内部道路、停车坪、空地等）划分，实现同类型地块单元的批量快速制作。