基于City Maker的城市三維建模技術的研究

張明,蘇中球

(1.南寧市勘測院,廣西南寧 530001; 2.廣西水利電力勘測設計研究院,廣西南寧 530001)

1 前 言

用數字形式表示地理空間已成為熱點。數字城市通過對城市地形、建筑及其他人工設施進行三維地理建模,形成覆蓋全市的數字城市立體場景,同時結合虛擬仿真等技術,實現城市的三維可視化管理。它是提高城市規劃編制技術水平,實現科學規劃的有效手段,是實現公共事務可視化管理的基礎保障。這是一個非常龐大的、復雜的、長期的系統工程,其中,三維城市模型的建立是數字城市建設的首要步驟和重要內容。

“海量數據,軟硬件要求高,任務繁重,開發周期長”已經成為數字城市三維建模的瓶頸,筆者根據目前流行的三維建模軟件3ds Max的特點,并以CityMaker系列軟件為平臺,通過對比研究和實驗,提出了一整套合理的規范技術要求,現以“數字玉林”的建設為例,對三維仿真建立的各個過程的技術規范進行說明,以供大家探討。

2 數據準備和軟件要求

2.1 實驗區概況

實驗所選區域為玉林市中心城區,面積約30 km2。以市中心、文化廣場、會展中心、南流江、清灣江沿江以及主要街道沿街 100m帶狀建筑、景觀為精細模型制作,面積約 9.3 km2,單體建筑上千棟,古老建筑與現代建筑并存,且有大面積的水體和綠地,充分體現出一般城市應具有的復雜性與多樣性,具有很強的代表性。

2.2 數據收集

(1)玉林市CAD地形圖,包括建筑、交通、植物、水體等高線等基礎信息。

(2)玉林市中心城區影像圖。

(3)玉林市中心城區建筑、景觀的數碼照片。

2.3 軟件要求

以AutoCAD 2005用于建筑物輪廓提取及數據源處理,以3dsMax 8.0作為三維建模工具,用Photoshop進行貼圖紋理處理,最后在CityMaker里合成場景,制作后期效果,以及實時瀏覽。

3 模型制作過程技術要點

3.1 工作單位

按照項目的制作要求,模型的制作一律以 mm為單位。一旦場景單位定義好之后,不得隨意變動場景單位,以避免建筑尺寸縮放后影響建筑的尺度感。

3.2 導入CAD文件

導入經整理過的dwg文件并凍結,在凍結線的基礎上創建建筑模型。如果導入的CAD地形遠離MAX的坐標中心位置,出現捕捉不準的情況時可以在保持原始CAD位置不變的情況下,將它的復本移動到MAX的坐標中心進行制作。制作完成后將模型再移動到原始CAD的位置。

3.3 建筑模型的建模規范要求

(1)模型精確度

①模型按實際尺寸建模,場景模型的位置要與實際的地理位置保持一致。

②若提供高度信息按實際高度制作。

③地基和頂棚高度根據照片估計制作。

(2)建筑模型等級的劃分

將城市中的眾多建筑分門別類有所重點的進行表現,既可以大量節省制作時的人力資源,同時科學的等級劃分以及制作標準又保證了運行的速度及制作的整體效果。我們根據玉林市現狀建筑的詳細調查分析,按照建筑的性質,地理位置,以及建筑標示性將城市中的建筑分為A、B、C,3個等級。

A級別主要包括具有地標性質的公共建筑,人們對于此類建筑都比較熟悉,因此對于建筑的主體和沿街部分都要求制作正確。例如玉林會展中心,如圖 1、圖2所示。

圖1 玉林會展中心實景照片

圖2 玉林會展中心模型截圖

B級別主要指沿街的中小型公共建筑、多層住宅,醫院等。根據玉林項目的具體情況,本級別以沿街建筑為主,制作中建筑的底商要和實際情況相符,主要用貼圖表現來節省數據量。

C級別主要指中心城區或主要展示區域的沿街建筑及地塊內的公共建筑和多層住宅,按照現狀完全制作正確對于整體的效果提升貢獻不大,只要求平面的建筑形體和層數正確制作即可。

(3)基本制作優化要求

①對于模型的底部與地面接觸的面,也就是坐落在地面上的建筑底面都應該刪除。模型落搭時相對被包裹的小的面要刪除,重復的面也要刪除。

②對模型結構與貼圖坐標起不到作用的點和面要刪除以節省數據量。在保證場景效果的前提下盡量減少場景的數據量。

重點主體模型要同時保證模型的視覺效果還要節省數據量,非重點或體積小的附屬設施可以簡化表現。重點區域的建筑或主體可以適當增加細節,具體情況根據建筑的級別以及柱子的位置直徑決定。

③對于需要疊加在物體表面的,例如建筑立面的字或一些招牌廣告等,可以做成片疊加在物體表面,如圖3所示。

圖3 廣告牌制作

3.4 道路景觀模型的規范要求

道路模型是整個模型數據庫的基礎,包括的物體為:斑馬線、雙簧線、自行車道、人行道、盲人道、綠化帶、行車線、欄桿、路名指示牌和公車車站。具體制作標準如下:

(1)車道線間尺寸正確,行車道數目與實際相符。路面要有車行痕跡,有車行綠籬、車行下水、車行花池分離帶,如圖 4所示。

圖4 道路模型實例

(2)道路上的隔離帶、指示牌、車站、垃圾桶等按實際大小和位置制作。

(3)路燈單獨制作,每一條路上的相同路燈只作一個,每一條路上的相同樹種只做一個。

(4)景觀雕塑根據情況用貼圖表現或用模型直接建模。

4 貼圖紋理規范要求

(1)貼圖像素大小為 2的 n次方,正方形或長方形均可,如 256×512、128×128、512×256等。

(2)保證貼圖的透視關系矯正準確,所有貼圖的門窗、層高線、字體、建筑立面等必須保持橫平豎直,清晰可見。

(3)表現欄桿等鏤空效果時需要給貼圖創建一個Alpha通道,由于CityMaker不支持雙面貼圖,所以此類貼圖物體模型制作時需在 MAX中原地復制一個并反轉法線作為物體的另一個面,效果如圖 5所示。

圖5 欄桿鏤空貼圖制作

5 三維模型、紋理貼圖的命名要求

玉林數字城市的三維模型、貼圖數量繁多,必須有一個統一的命名規范以便于模型數據庫的管理和利用。

(1)常規建筑模型命名方法為:制作人員編號 +地塊編號+JZ+區域編號+(建筑中文名),例如,玉林市銀豐國際中藥港,位于 08地塊 03區內,制作人編號為 06,命名即為:06A008JZ03玉林市銀豐國際中藥港。命名中的字母要大寫,不允許有橫杠或其他錯誤命名。文件夾命名同模型命名一致。

(2)道路景觀模型命名規范:制作人員編號+DL (或JG)+(道路或景觀中文名)。

(3)貼圖命名規則:制作人員編號+年月日 +序號,其中年的表示用26個字母,月的表示用“a b c d e f g h i j k l”12個字母,日的表示用當天數字即可。例如:某員工序號為 01,他在 2011年 10月17日做的貼圖則可以表示 01ej1701。同一場景內不能出現貼圖重名的情況,也不能出現名字相同后綴不相同的貼圖。如出現11ej1701.jpg與11ej1701.bmp的情況是不允許的。公共貼圖數據庫中的文件命名按已有的名稱,不得做任何改動。

年份字母示意表 表 1

月份字母示意表 表 2

6 城市三維景觀的展示

在本試驗中,我們主要采用的是CityMaker軟件,漫游方式可分為 3種類型:其一是自由漫游,即漫游路徑由用戶通過鼠標或鍵盤實時控制;其二是支持特定場景、動畫及動畫輸出成AVI,將重要的或視覺效果好的觀察位置保存成特定場景,基于已有的特定場景組生成動畫,也可以將漫游的過程錄制成動畫,動畫可以輸出為AVI格式的文件。其三是利用視覺走廊功能模擬人沿景觀大道欣賞兩側景觀的過程,用戶可以基于場景中已經存在的任意線條快速生成視覺走廊,沿視覺走廊漫游的過程中可以隨意改變觀察方向,效果如圖 6所示。

圖6 數字玉林三維景觀

7 結 語

本文是根據數字玉林項目,基于CityMaker平臺,提出的三維建模規范的要求。通過統一的規范要求可以達到精簡模型數據庫的冗余數據,提高實時系統的運行效率,有效展示三維模型的可視化成果。事實上,在具體的生產實踐中,海量模型數據庫依然是個大問題,這就意味著我們必須進一步探索更多、更好的規范標準。

[1] 王乘,周軍清,李利軍.Creatot可視化仿真建模技術[M].武漢:華中理工大學出版社,2005