城市三維建模技術與標準研究

高 山，陳 思

（武漢市國土資源和規劃信息中心，湖北武漢430014）

一、引 言

“十五”期間，國家開展了空間數據基礎設施(spatial data infrastructure，SDI)建設。在一系列國家計劃項目、數字城市示范工程項目等的推動下，一批大中城市率先完成了SDI建設，并通過數據庫建設、標準規范建設和地理信息應用模式探索，為數字城市的進一步發展積累了豐富的資源。在此基礎上，“十一五”期間的數字城市建設與應用呈現出一片繁榮景象，歸納起來主要有以下幾個熱點方向:一是基于網絡的地理信息服務，以國家測繪地理信息局開展的數字城市地理空間框架建設為代表，其推動了信息資源的共建共享與互聯互通;二是基于位置的地理信息服務，以導航系統為代表，目前已形成年產值幾百億的產業;三是三維數字城市的大規模建設與應用，其推動著地理信息從二維向二三維一體化邁進。

當前，三維數字城市的研究與實踐已經十分廣泛，北京、上海、天津、重慶、廣州、武漢、深圳等城市都基于自身應用需求開展了城市級三維模型建設，并在相關領域開展了應用，這些成果不同程度地促進了城市規劃、建設和管理水平的提高，并推動了國內三維數字城市建設。然而，由于種種原因，三維數字城市的發展仍然存在一些問題，影響了城市三維模型數據和系統的深層次應用。其中，缺乏統一的規范和標準，是目前亟須解決的關鍵問題。由于三維數字城市建設與應用的相關標準仍在不斷建設和發展中，因此各個城市和部門在三維GIS系統建設時主要根據各自的需求和標準來建立，導致系統之間通信困難，數據共享難以實現。

武漢市于2006年啟動了三維數字地圖系統建設，該項目同時被住建部列入城市數字化工程示范項目。經過4年的時間，項目建設已經完成，并于2010年通過住建部驗收。其中，城市三維模型建設被認為是國內首個建成并投入使用的特大城市級三維城市模型。在項目建設中，建模標準起著至關重要的作用。本文結合實際項目建設，重點探討了建模的相關技術和標準。

二、城市景觀的三維表達

由于技術的限制，一直以來，城市基礎地理信息主要以4D的方式表示，即數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)、數字線劃圖(DLG)和數字柵格圖(DRG)。隨著城市化進程的加快，城市空間不斷向高空和地下拓展，這就要求城市規劃不僅要對平面布局進行規劃，而且要對空間布局進行推敲。在這種情況下，傳統的二維表達已經很難滿足現實規劃工作的需要，因此城市景觀的三維表達提上了日程。

城市三維模型是城市地形地貌、地上地下人工建(構)筑物等的三維表達，反映對象的空間位置、幾何形態、紋理及屬性等信息［1］。它借助計算機圖形學、虛擬顯示等技術，實現了城市景觀的三維表達。在對城市景觀進行三維建模時，首先遇到的問題是表達什么對象、表達到何種程度及采用什么方式表達。

1.建模對象

由于城市對象紛繁蕪雜，不可能都進行三維建模，因此首先要確定的是表達哪些對象。這里可以通過兩個標準來確定:一是對象的尺度，如果一個對象的長、寬、高中至少有兩個指標大于某一閾值，表明其對城市空間有不可忽略的貢獻，應予以表達;二是對象的重要程度，這和應用密切相關，如交管會關注交通信號燈、園林會關注重點樹木、市政會關注路燈、城管會關注廣告牌。因此，在開展工作前，需要明確建模對象，以免造成遺漏或過多的建模。

2.建模尺度

在對建模對象進行取舍后，接下來就要明確建到什么程度，也就是尺度的問題。建模尺度類似地形圖中比例尺的概念，比例尺不同，對象表現的細節也不同。以建筑為例，要確定是否要表現飄窗的凸出、步入建筑的臺階、建筑標牌等。但是三維建模不會像地形圖一樣對城市空間制作各種大、中比例尺數據，通常的做法是為某一區域指定一個尺度。因此，最終完成的城市三維模型是一個變比例尺的數據集，從這個角度看，類似現在通常所說的“一張圖”的概念。

3.建模手段

三維場景數據是典型的矢量、柵格的結合，其中，矢量表示框架，柵格表達細節。仍在研究中的LiDAR則是兩者的結合，它通過對現實世界的高密度采樣，以離散的點云(及其RGB值)表達連續的對象。但目前較為成熟且質量可控的主流方式仍是基于CAD的建模，這種方式下，建模手段更多的是一個技術問題，即對于確定要建模的內容采用何種方式表達，是采用幾何建模的方式，還是采用紋理貼圖的方式。通常來說，在X、Y、Z 3個維度中，如果某一維度相對于其他兩個維度可以忽略不計，則可以采取紋理貼圖的方式。

三、建模精度與標準

一般來說，三維模型數據包括3個方面的內容:幾何、紋理和屬性。幾何部分主要表達對象的幾何外形，包括空間位置、形態、高度等;紋理部分主要表達對象的視覺外觀，也用于表達對象的細節，以彌補幾何表達的不足;屬性是GIS應用與分析的基礎，不同的對象具有不同的屬性，不同的應用關注不同的方面。與此相對應，城市三維建模標準涉及3個方面:幾何精度、紋理精度和屬性精度。其中，幾何精度和紋理精度是當前需要重點研究的內容，屬性精度則可依據GIS相關標準規范處理。

1.基本要求

基本要求是城市三維模型建設的基礎，也是三維GIS應用的基礎。一般來說，城市三維模型應遵循以下基本要求:

1)坐標系:必須與城市基礎測繪所采用的坐標系(包括平面坐標系與高程基準)一致。

2)技術要求:以米為計量單位;模型的軸心點(Pivot)應統一;建模對象與模型一一對應;模型屬性與模型一一對應;模型對象和紋理的命名應全局唯一。

3)質量要求:模型應正確反映建模對象的基本特征;模型數據不得存在遺漏和冗余;模型精度應符合相應LOD的精度規定;屬性數據應正確、完整。

2.幾何精度

一直以來，精度是測量和GIS領域最關注的基本問題之一，它代表著現實世界的抽象程度和對象表達的準確性，進而影響著數據的應用領域。三維模型也不例外，自三維GIS誕生以來，關于模型的精度就一直備受關注，空間對象的表示方法、三維模型的建模精度、三維建模方法等則是其中的關鍵問題。在計算機圖形學和虛擬仿真中，每個三維場景都是相對獨立的，關注的重點是視覺效果，而作為GIS應用，首要問題則是精度。

從地圖學的角度來看，城市三維模型屬于大比例尺范疇。根據筆者經驗，當高度高于3 000 m時，除大型基礎設施(如大型橋梁、火車站、機場等)外，其他城市要素完全可以通過航空影像來表現。因此，城市三維模型的問題主要是微觀層面，相關問題的研究可以參照國家大比例尺地形圖的標準和規范來進行。

關于對象的三維表達，三維GIS中的通常做法是建立LOD，以解決系統運行中的數據傳輸和繪制效率的瓶頸，但劃分的級別數不盡相同。CityGML中將模型劃分為5個級別，見表1［2］。

表1 CityGM L細節層次說明及精度

可以看出，CityGML對LOD的劃分是對所有對象而言的，不同級別的差別主要表現在點位精度上，這種方式對建構筑物是合適的，但對城市其他對象則需要根據情況進行調整。在實際的建筑建模中，筆者采用的劃分方式見表2。

表2 建筑模型LOD及說明

從表2中可以看出，這里對LOD的劃分基本與CityGML一致。不同的是，表中沒有列出平面精度，認為平面精度應與 1∶2000、1∶1000、1∶500 地形圖保持一致［3］。植被模型的LOD則采用了另外的方式，見表3。

表3 植被模型LOD及說明

3.紋理精度

相對于幾何精度，對紋理精度的規定仍然采用較為模糊的詞語(如清晰可辨、較高分辨率等)，較少使用量化規定，給模型質量的評定帶來困難。應該說，用戶對三維場景的認知主要來自兩個方面:一是在中觀尺度上對城市空間形態的感受;二是在微觀尺度上通過模擬現實視角的方式對城市景觀、建筑立面的認知。前者更多地來源于幾何表現;后者則更多地通過紋理來展現。因此，在三維模型的應用中，尤其是微觀層面的應用，紋理起著舉足輕重的作用［4］。

紋理使用的基本原則是使各級LOD的紋理精度與幾何精度相匹配，幾何精度越高，則紋理分辨率越高。目前，關于紋理分辨率的具體數值還沒有相關規定，大多由建模人員根據經驗判斷。眾所周知，紋理數據量占據80%以上三維模型數據量，紋理精度的不確定性給數據總量的控制帶來困難，進而影響到三維GIS的數據調度策略和調度效率。因此，有必要對紋理精度進行量化規定，以進一步規范當前的三維建模工作。

借鑒攝影測量與地圖制圖中由0.2 m分辨率航片更新1∶2000地形圖的做法，可知根據1∶500地形圖建模的地物(LOD3)需要的紋理分辨率為0.05 m，依此類推，紋理分辨率與LOD的對應關系見表4。

表4 紋理分辨率與LOD的對應關系

需要指出的是，精細模型由于其表現的粒度很小，對象的細節往往通過幾何建模(而不是紋理貼圖)來表現。因此，相對于其他級別的LOD，對紋理的使用反而會降低，但是只要使用了貼圖，就應該用高分辨率的紋理。

4.屬性精度

如果說幾何和紋理是模型的外在，屬性則是對象的內涵，是GIS查詢、統計、分析的依據。因此，屬性信息是否完整，決定了應用系統的領域。

屬性可分為基本屬性和專題屬性。基本屬性反映對象的基本信息，如建筑高度、用途、建筑結構等;專題屬性根據應用需要擴充，如在規劃領域還需要建筑面積、停車面積等。

三維模型的屬性可參照GIS標準里的相關規定，為保持數據的唯一性，可直接從二維GIS數據庫中獲取。

四、結束語

城市三維模型建設是一項龐大的系統工程，其耗費大、耗時長。因此，必須在項目啟動之初進行通盤考慮，包括建模的標準規范、技術方法、質量控制、數據庫與應用系統建設及后期更新維護等。三維建模也不應一味追求精細，應以應用為基本出發點，留有擴充的余地。本文結合實際工作對建模技術和精度進行了研究，以期通過提高數據的規范性降低系統建設的難度。

［1］ 中華人民共和國行業標準.CJJ/T 157—2010城市三維建模技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［2］ OpenGIS City Geography Markup Language(CityGML)Encoding Standard［EB/OL］.2008-08-15.http:∥www.opengeospatial.org.Open Geospatial Consortimn Inc.OGC 08-007rl.VerSion:1.0.0.

［3］ 趙中元，高山.三維數字城市建模精度與制作標準研究［J］.數字城市，2010(8):17-19.

［4］ 楊必勝，李清泉，史文中.三維GIS中多分辨率紋理模型的研究［J］.中國圖象圖形學報:A輯，2003，8(3):328-333.

［5］ 崔新友，王海花.基于CityGML的數字城市快速建模研究［J］. 軟件導刊，2009，8(6):17-19.