深度探討三維數(shù)字城市建模理論與實現(xiàn)思路

摘 要:本文基于筆者多年從事三維城市建模的理論與方法研究的相關(guān)工作經(jīng)驗，以三維數(shù)字城市建模為研究對象。探討了數(shù)字城市中三維建模的主要內(nèi)容和具體實現(xiàn)思路，給出了具體的實例，證明該思路能滿足實際應(yīng)用。全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:數(shù)字城市三維建模

中圖分類號:P2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(a)-0095-01

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，城市的信息化成為了必然的趨勢，數(shù)字城市的不斷完善已經(jīng)成為城市壯大的新的契機，成為城市信息化建設(shè)的目標(biāo)。數(shù)字三維城市已成為城市規(guī)劃和管理中重要的手段。三維模型能夠真實、生動地表達(dá)三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點。建筑物的三維建模作為主要的建模內(nèi)容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點。

三維地理信息系統(tǒng)的建立，可以和現(xiàn)有的二維地籍?dāng)?shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等結(jié)合，分別形成三維地籍系統(tǒng)、三維規(guī)劃系統(tǒng)、三維土地利用系統(tǒng)等。這些三維系統(tǒng)具有快速的三維漫游、查詢、定位、統(tǒng)計、分析、打印輸出等功能，將更好地為“數(shù)字國土”服務(wù)。三維模型的快速建立與更新，對維護(hù)三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、直觀性、更好地為國土資源利用提供更好的決策，具有十分重要的作用和意義。

2 三維建模技術(shù)現(xiàn)狀

國際上城市信息化建設(shè)與發(fā)展走過的道路，大體上經(jīng)歷了四個建設(shè)階段;網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，政府和企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)建設(shè)，政府企業(yè)上下游相互之間借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，數(shù)字城市綜合集成與建設(shè)形成數(shù)字城市。美國、加拿大、歐洲、澳大利亞等國家和地區(qū)，已經(jīng)完成第一到第三階段的基礎(chǔ)任務(wù)，目前主要任務(wù)是不斷提高各階段成果的作用和水平并進(jìn)行數(shù)字城市的綜合集成。

由于我國數(shù)字城市建設(shè)起步較晚，目前處在四個階段同步并舉的時期，通訊基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)展速度比較快，政府和企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)建設(shè)的進(jìn)展比較慢，數(shù)字城市的綜合集成還處在低級階段。

3 數(shù)字城市三維建模的關(guān)鍵內(nèi)容

目前建筑物三維建模的一般流程如圖1所示。三維空間數(shù)據(jù)的獲取，實質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù)的采集。三維模型的建立與編輯，三維幾何模型是紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的載體，也是數(shù)碼城市GIS提供各種定量空間解析分析能力的基礎(chǔ)。建筑物表面紋理數(shù)據(jù)主要用于提供逼真的視覺標(biāo)識，增強對建筑物本身及其相互之間空間關(guān)系的感知和識別。可視化技術(shù)的運用，用于增強用戶與數(shù)據(jù)模型之間的交互操作性能，尤其是與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，使得用戶沉浸于三維的場景中與模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行交互操作(如圖1）。

3.1 三維建模數(shù)據(jù)的獲取

三維建模的首要任務(wù)就是要收集建模的數(shù)據(jù)。在城市中存在著眾多的數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)源包括;(1)規(guī)劃建筑物的設(shè)計圖紙及文檔資料。(2)城市數(shù)字地圖(地形圖、地籍圖等)和2DGIS數(shù)據(jù)庫。(3)攝影測量數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z影測量不僅可以提供豐富的幾何和紋理數(shù)據(jù)，而且還可以提供豐富的拓?fù)浜驼Z義信息。(4)遙感數(shù)據(jù)。高分辨率遙感影像可以為城市3D城市模型的建立提供詳細(xì)、豐富的幾何和語義信息數(shù)據(jù)，是生成正射影像數(shù)據(jù)和DTM的重要數(shù)據(jù)源。合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種全天時、全天候的微波成像雷達(dá)，不僅可以詳細(xì)準(zhǔn)確地觀測地形地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過地表收集地表下面的信息。

就當(dāng)前的應(yīng)用需求來說，場景三維建模需要的數(shù)據(jù)主要有;二維圖形、地形數(shù)據(jù)、地表圖像、三維觀測數(shù)據(jù)和模型表面紋理等。

3.2 建模方式

目前在數(shù)字城市的三維建模中有很多種建立模型的方式。現(xiàn)介紹如下;

(1)使用CAD軟件建模。AutoCAD模型表達(dá)精細(xì)、精確，有精確尺寸定義，主要用于工業(yè)零部件建模和單獨的橋梁等建筑物建模。(2)常用動畫軟件建模。如3D MAX等，模型表達(dá)精細(xì)，建模工具豐富，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，不支持與地形疊加，且不能交互編輯查詢，僅限于動畫瀏覽。(3)專業(yè)軟件建模。模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡潔，可以在運行過程中進(jìn)行交互操作，實時計算動畫場景，通過開發(fā)，可以與影像、矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等疊加。但表達(dá)不精細(xì)，數(shù)據(jù)交互編輯、查詢能力較弱。(4)OpenGL開發(fā)。此方式能大量使用數(shù)學(xué)曲線、曲面表達(dá)三維模型、自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)顯示算法等。一般用于開發(fā)三維基礎(chǔ)軟件。

目前，在實際應(yīng)用技術(shù)中，較為普遍和實際的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

3.3 模型的發(fā)布與應(yīng)用

采用提供了二次開發(fā)功能的數(shù)字城市開發(fā)平臺，使用asp.net技術(shù)，開發(fā)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)對矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM、三維模型等多源數(shù)據(jù)集中管理的三維地理信息發(fā)布系統(tǒng)，從而實現(xiàn)三維場景的顯示、漫游、定位、查詢等功能，為決策部門提供輔助決策。

4 應(yīng)用

本次實驗以“三維地理信息系統(tǒng)”中的三維建模為例。采用3Dmax軟件實施建筑物三維建模，以及能夠訪問海量數(shù)據(jù)、具有強大二次開發(fā)功能的三維地理信息軟件TerraExplorer Pro作為開發(fā)平臺開發(fā)演示系統(tǒng)。

“三維地理信息系統(tǒng)”構(gòu)建三維數(shù)字城市的方案如下;

(1)采用正射航空或衛(wèi)星影像和地表高程數(shù)據(jù)，在TerraBuilder中生成地表數(shù)據(jù)集;(2)將地表數(shù)據(jù)集文件加載到TerraExplorer桌面應(yīng)用程序，并用編輯工具從本地數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)上的擴展GIS數(shù)據(jù)庫中添加2D信息(花草、樹木、人物等)和三維建筑物模型(3Dmax建立的三維建筑物)信息;(3)保存工程文件或者打包輸出，使它能夠被分配到CD/DVD ROM或發(fā)布到網(wǎng)頁上。Basic kit包含工程中用到的所有的資源，因此它相對于源文件是獨立的。

5 結(jié)語

文章對數(shù)字城市中的三維建模關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行探討，總結(jié)了當(dāng)前三維建模過程中的主要技術(shù)和方法，并以實例的方式實現(xiàn)了三維建筑物建模和發(fā)布，結(jié)果表明在數(shù)字城市建設(shè)中，主要把握數(shù)據(jù)獲取、三維建模和模型的發(fā)布與應(yīng)用三個環(huán)節(jié)，即能較好完成數(shù)字城市工作，使其滿足實際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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