基于GIS的三維數字城市構建研究

鄭煜琳

摘 要：數字城市是城市信息化的重要途徑，開展三維數字城市構建研究非常必要。三維數據城市系統主要由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成，分析了各層的功能及要求。針對數字城市三維建模的要求，提出了建模方法。GIS技術、三維建模技術的綜合運用，為數據城市建設提供了保障。

關鍵詞：GIS 數字城市 三維模型 3DMAX

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0024-01

隨著城市信息化進程的加快，數字城市成為研究的熱點，全國各地紛紛開展數字城市建設工作。數字城市以地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、全球定位系統（GNSS）、虛擬現實技術（VR）為基礎，對城市基礎地理信息數據進行采集，建立空間地理信息數據庫，綜合運用WebGIS等先進技術，為行政管理部門、企事業單位及人民群眾提供多尺度、多分辨率、多時態的綜合信息服務應用，并為政府決策提供依據。三維數字城市具有三維視覺感，清晰表達數字城市的功能，能滿足公眾的需求，建立三維可視化模型是實現三維數字城市的基本保證。研究三維數字城市構建方法，具有重要意義。

1 基于GIS的三維數字城市系統結構

目前三維數字城市結構一般由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成。數據資源層主要包括基礎資源數據庫、2D數據、三維模型數據組成，其中基礎資源數據庫主要包括數據高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）、數字線畫圖（GLG）三部分組成。基礎資源數據庫數據經過處理后生成地表數據集（MPT文件），2D數據、三維模型數據構成了擴展GIS數據庫；數據處理層主要由數據庫、驅動平臺、用戶界面三部分組成，以地表數據集與擴展GIS數據庫為基礎，構建三維數字城市驅動平臺，綜合運用WebGIS、網絡技術，通過三維數字城市系統用戶界面，為用戶提供基礎地理信息服務。數據應用層經過數據處理，可以實現三維場景漫游、三維場景評價、三維場景空間分析等功能。三維數字城市系統結構（見圖1）。

2 三維數字城市數據

2.1 基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括控制數據、DEM數據、DOM數據、交通數據、道路街道數據、行政區劃數據、水體數據、房產數據與地籍數據等，是三維數字城市的基礎。

2.2 三維數據

三維數據主要包括三維地形數據與三維場景數據。三維數字城市的關鍵在于三維數據的獲取，其中三維地形數據主要通過數字正射影像圖（DOM）與高程信息疊加獲取，過程相對比較簡單。三維場景模型一般使用專業建模軟件完成，過程較復雜，需要重點探討。

3 三維數字模型的建立

3.1 常用的三維建模方法介紹

（1）使用3DMAX等動畫軟件建模。該方法建模功能強大，模型精細，可以進行大比例尺高精度建模，但是存在數據量大、不能與地形信息疊加、不能進行交互查詢等缺點。

（2）MutiGen Creator。三維虛擬現實與仿真功能強大，經常與Vega軟件組合，可以進行大范圍的地形建模且支持建筑物建模，數據結構簡單，可以方便的與遙感影像數據、矢量數據、DEM數據進行疊加。但是存在模型不夠精細、無法交互編輯、數據查詢功能弱等缺點。

（3）ArcGIS等地理信息軟件。ArcGIS的三維擴展模塊（ArcScene/ArcGlobe）提供了三維建模功能。一般使用ArcGIS支持的三維符號進行三維模型建立，并將地理位置等數據存儲在矢量數據層中。地理信息三維模型支持各類數據的疊加分析，可以方便的進行數據查詢分析，但模型建立過程較繁瑣，建立時對技術人員水平要求高。

可以看出，以上三種建模方法各有優劣，可以綜合使用。目前在三維模型建立時，3DMAX應用最為廣泛，因此，該文重點針對3DMAX軟件的建模方法進行探討。

3.2 3DMAX三維模型建立方法

（1）建筑物三維模型的建立。

進行建筑物三維建模時，首先根據技術設計要求，統計需要進行精細建模的建筑物，并根據已有的基礎地理信息數據（大比例尺地形圖數據、高分辨率遙感影像等）提取目標建筑物的形狀和空間位置，根據實測數據或遙感影像陰影信息獲取建筑物的高度信息；在3dsMax中凍結需要建模的建筑底圖，在保證精度的前提下，使用盡可能少的點面進行精細建模；根據實地拍攝的建筑物紋理，使用Photoshop軟件對圖片進行處理，添加建筑物紋理，使建筑物三維模型更加真實、直觀；建筑物三維模型建立完成后，統一保存為便于識別的平臺支持格式。

（2）小品模型的構建。

小品是數字城市三維建模的重要組成部分，主要包括植被、道路附屬設施、建筑物附屬設施等，數量眾多，若逐個建立模型費時費力。根據分析，小品主要起烘托場景的作用，且同類小品形狀大多相似，可以考慮快捷的建模和插入方式。在數字城市三維建模中，可以采用ArcGIS軟件進行小品數據處理。首先調查小品的主要種類和特點，建立對應的三維模型符號庫。建模時，通過三維平臺，直接導入小品點位坐標，點狀數據通用的氣泡顯示方式，小品數據都是以通用符號氣泡代替，同時對氣泡點進行分類，最后將氣泡符號全部替換成符號庫中小品三維符號，完成小品建模。

根據三維地形數據、三維建筑物模型、三維小品模型，可以時間數字城市的三維建模，直觀形象的反映城市的三維信息，為數字城市建設提供基礎數據。

4 結論

城市基礎地理信息數據極為復雜，傳統的二維數據已經難以滿足城市管理的需要。三維模型的建立，為數字城市建設提供了基礎數據。目前數字城市已經得到了廣泛的應用，為城市管理、規劃等工作提供了有力的幫助。隨著社會的發展及技術的進步，智慧城市已經成為未來發展的趨勢，如何針對數字城市的建設現狀，綜合運用物聯網技術、智能傳感技術、數字通信技術建立智慧城市，值得進一步研究和探討。

參考文獻

[1] 閻鳳霞，張明燈.三維數字城市構建技術[J].測繪，2009，32（2）：93-97.

[2] 雷林輝.基于數字城市地理空間框架的GIS應用系統建設[J].測繪工程，2013，22（4）：48-51.

[3] 李德仁，邵振峰，楊小敏.從數字城市到智慧城市的理論與實踐[J].地理空間信息，2011，9（6）：1-5.endprint

摘 要：數字城市是城市信息化的重要途徑，開展三維數字城市構建研究非常必要。三維數據城市系統主要由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成，分析了各層的功能及要求。針對數字城市三維建模的要求，提出了建模方法。GIS技術、三維建模技術的綜合運用，為數據城市建設提供了保障。

關鍵詞：GIS 數字城市 三維模型 3DMAX

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0024-01

隨著城市信息化進程的加快，數字城市成為研究的熱點，全國各地紛紛開展數字城市建設工作。數字城市以地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、全球定位系統（GNSS）、虛擬現實技術（VR）為基礎，對城市基礎地理信息數據進行采集，建立空間地理信息數據庫，綜合運用WebGIS等先進技術，為行政管理部門、企事業單位及人民群眾提供多尺度、多分辨率、多時態的綜合信息服務應用，并為政府決策提供依據。三維數字城市具有三維視覺感，清晰表達數字城市的功能，能滿足公眾的需求，建立三維可視化模型是實現三維數字城市的基本保證。研究三維數字城市構建方法，具有重要意義。

1 基于GIS的三維數字城市系統結構

目前三維數字城市結構一般由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成。數據資源層主要包括基礎資源數據庫、2D數據、三維模型數據組成，其中基礎資源數據庫主要包括數據高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）、數字線畫圖（GLG）三部分組成。基礎資源數據庫數據經過處理后生成地表數據集（MPT文件），2D數據、三維模型數據構成了擴展GIS數據庫；數據處理層主要由數據庫、驅動平臺、用戶界面三部分組成，以地表數據集與擴展GIS數據庫為基礎，構建三維數字城市驅動平臺，綜合運用WebGIS、網絡技術，通過三維數字城市系統用戶界面，為用戶提供基礎地理信息服務。數據應用層經過數據處理，可以實現三維場景漫游、三維場景評價、三維場景空間分析等功能。三維數字城市系統結構（見圖1）。

2 三維數字城市數據

2.1 基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括控制數據、DEM數據、DOM數據、交通數據、道路街道數據、行政區劃數據、水體數據、房產數據與地籍數據等，是三維數字城市的基礎。

2.2 三維數據

三維數據主要包括三維地形數據與三維場景數據。三維數字城市的關鍵在于三維數據的獲取，其中三維地形數據主要通過數字正射影像圖（DOM）與高程信息疊加獲取，過程相對比較簡單。三維場景模型一般使用專業建模軟件完成，過程較復雜，需要重點探討。

3 三維數字模型的建立

3.1 常用的三維建模方法介紹

（1）使用3DMAX等動畫軟件建模。該方法建模功能強大，模型精細，可以進行大比例尺高精度建模，但是存在數據量大、不能與地形信息疊加、不能進行交互查詢等缺點。

（2）MutiGen Creator。三維虛擬現實與仿真功能強大，經常與Vega軟件組合，可以進行大范圍的地形建模且支持建筑物建模，數據結構簡單，可以方便的與遙感影像數據、矢量數據、DEM數據進行疊加。但是存在模型不夠精細、無法交互編輯、數據查詢功能弱等缺點。

（3）ArcGIS等地理信息軟件。ArcGIS的三維擴展模塊（ArcScene/ArcGlobe）提供了三維建模功能。一般使用ArcGIS支持的三維符號進行三維模型建立，并將地理位置等數據存儲在矢量數據層中。地理信息三維模型支持各類數據的疊加分析，可以方便的進行數據查詢分析，但模型建立過程較繁瑣，建立時對技術人員水平要求高。

可以看出，以上三種建模方法各有優劣，可以綜合使用。目前在三維模型建立時，3DMAX應用最為廣泛，因此，該文重點針對3DMAX軟件的建模方法進行探討。

3.2 3DMAX三維模型建立方法

（1）建筑物三維模型的建立。

進行建筑物三維建模時，首先根據技術設計要求，統計需要進行精細建模的建筑物，并根據已有的基礎地理信息數據（大比例尺地形圖數據、高分辨率遙感影像等）提取目標建筑物的形狀和空間位置，根據實測數據或遙感影像陰影信息獲取建筑物的高度信息；在3dsMax中凍結需要建模的建筑底圖，在保證精度的前提下，使用盡可能少的點面進行精細建模；根據實地拍攝的建筑物紋理，使用Photoshop軟件對圖片進行處理，添加建筑物紋理，使建筑物三維模型更加真實、直觀；建筑物三維模型建立完成后，統一保存為便于識別的平臺支持格式。

（2）小品模型的構建。

小品是數字城市三維建模的重要組成部分，主要包括植被、道路附屬設施、建筑物附屬設施等，數量眾多，若逐個建立模型費時費力。根據分析，小品主要起烘托場景的作用，且同類小品形狀大多相似，可以考慮快捷的建模和插入方式。在數字城市三維建模中，可以采用ArcGIS軟件進行小品數據處理。首先調查小品的主要種類和特點，建立對應的三維模型符號庫。建模時，通過三維平臺，直接導入小品點位坐標，點狀數據通用的氣泡顯示方式，小品數據都是以通用符號氣泡代替，同時對氣泡點進行分類，最后將氣泡符號全部替換成符號庫中小品三維符號，完成小品建模。

根據三維地形數據、三維建筑物模型、三維小品模型，可以時間數字城市的三維建模，直觀形象的反映城市的三維信息，為數字城市建設提供基礎數據。

4 結論

城市基礎地理信息數據極為復雜，傳統的二維數據已經難以滿足城市管理的需要。三維模型的建立，為數字城市建設提供了基礎數據。目前數字城市已經得到了廣泛的應用，為城市管理、規劃等工作提供了有力的幫助。隨著社會的發展及技術的進步，智慧城市已經成為未來發展的趨勢，如何針對數字城市的建設現狀，綜合運用物聯網技術、智能傳感技術、數字通信技術建立智慧城市，值得進一步研究和探討。

參考文獻

[1] 閻鳳霞，張明燈.三維數字城市構建技術[J].測繪，2009，32（2）：93-97.

[2] 雷林輝.基于數字城市地理空間框架的GIS應用系統建設[J].測繪工程，2013，22（4）：48-51.

[3] 李德仁，邵振峰，楊小敏.從數字城市到智慧城市的理論與實踐[J].地理空間信息，2011，9（6）：1-5.endprint

摘 要：數字城市是城市信息化的重要途徑，開展三維數字城市構建研究非常必要。三維數據城市系統主要由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成，分析了各層的功能及要求。針對數字城市三維建模的要求，提出了建模方法。GIS技術、三維建模技術的綜合運用，為數據城市建設提供了保障。

關鍵詞：GIS 數字城市 三維模型 3DMAX

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0024-01

隨著城市信息化進程的加快，數字城市成為研究的熱點，全國各地紛紛開展數字城市建設工作。數字城市以地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、全球定位系統（GNSS）、虛擬現實技術（VR）為基礎，對城市基礎地理信息數據進行采集，建立空間地理信息數據庫，綜合運用WebGIS等先進技術，為行政管理部門、企事業單位及人民群眾提供多尺度、多分辨率、多時態的綜合信息服務應用，并為政府決策提供依據。三維數字城市具有三維視覺感，清晰表達數字城市的功能，能滿足公眾的需求，建立三維可視化模型是實現三維數字城市的基本保證。研究三維數字城市構建方法，具有重要意義。

1 基于GIS的三維數字城市系統結構

目前三維數字城市結構一般由數據資源層、數據處理層、數據應用層三層組成。數據資源層主要包括基礎資源數據庫、2D數據、三維模型數據組成，其中基礎資源數據庫主要包括數據高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）、數字線畫圖（GLG）三部分組成。基礎資源數據庫數據經過處理后生成地表數據集（MPT文件），2D數據、三維模型數據構成了擴展GIS數據庫；數據處理層主要由數據庫、驅動平臺、用戶界面三部分組成，以地表數據集與擴展GIS數據庫為基礎，構建三維數字城市驅動平臺，綜合運用WebGIS、網絡技術，通過三維數字城市系統用戶界面，為用戶提供基礎地理信息服務。數據應用層經過數據處理，可以實現三維場景漫游、三維場景評價、三維場景空間分析等功能。三維數字城市系統結構（見圖1）。

2 三維數字城市數據

2.1 基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括控制數據、DEM數據、DOM數據、交通數據、道路街道數據、行政區劃數據、水體數據、房產數據與地籍數據等，是三維數字城市的基礎。

2.2 三維數據

三維數據主要包括三維地形數據與三維場景數據。三維數字城市的關鍵在于三維數據的獲取，其中三維地形數據主要通過數字正射影像圖（DOM）與高程信息疊加獲取，過程相對比較簡單。三維場景模型一般使用專業建模軟件完成，過程較復雜，需要重點探討。

3 三維數字模型的建立

3.1 常用的三維建模方法介紹

（1）使用3DMAX等動畫軟件建模。該方法建模功能強大，模型精細，可以進行大比例尺高精度建模，但是存在數據量大、不能與地形信息疊加、不能進行交互查詢等缺點。

（2）MutiGen Creator。三維虛擬現實與仿真功能強大，經常與Vega軟件組合，可以進行大范圍的地形建模且支持建筑物建模，數據結構簡單，可以方便的與遙感影像數據、矢量數據、DEM數據進行疊加。但是存在模型不夠精細、無法交互編輯、數據查詢功能弱等缺點。

（3）ArcGIS等地理信息軟件。ArcGIS的三維擴展模塊（ArcScene/ArcGlobe）提供了三維建模功能。一般使用ArcGIS支持的三維符號進行三維模型建立，并將地理位置等數據存儲在矢量數據層中。地理信息三維模型支持各類數據的疊加分析，可以方便的進行數據查詢分析，但模型建立過程較繁瑣，建立時對技術人員水平要求高。

可以看出，以上三種建模方法各有優劣，可以綜合使用。目前在三維模型建立時，3DMAX應用最為廣泛，因此，該文重點針對3DMAX軟件的建模方法進行探討。

3.2 3DMAX三維模型建立方法

（1）建筑物三維模型的建立。

進行建筑物三維建模時，首先根據技術設計要求，統計需要進行精細建模的建筑物，并根據已有的基礎地理信息數據（大比例尺地形圖數據、高分辨率遙感影像等）提取目標建筑物的形狀和空間位置，根據實測數據或遙感影像陰影信息獲取建筑物的高度信息；在3dsMax中凍結需要建模的建筑底圖，在保證精度的前提下，使用盡可能少的點面進行精細建模；根據實地拍攝的建筑物紋理，使用Photoshop軟件對圖片進行處理，添加建筑物紋理，使建筑物三維模型更加真實、直觀；建筑物三維模型建立完成后，統一保存為便于識別的平臺支持格式。

（2）小品模型的構建。

小品是數字城市三維建模的重要組成部分，主要包括植被、道路附屬設施、建筑物附屬設施等，數量眾多，若逐個建立模型費時費力。根據分析，小品主要起烘托場景的作用，且同類小品形狀大多相似，可以考慮快捷的建模和插入方式。在數字城市三維建模中，可以采用ArcGIS軟件進行小品數據處理。首先調查小品的主要種類和特點，建立對應的三維模型符號庫。建模時，通過三維平臺，直接導入小品點位坐標，點狀數據通用的氣泡顯示方式，小品數據都是以通用符號氣泡代替，同時對氣泡點進行分類，最后將氣泡符號全部替換成符號庫中小品三維符號，完成小品建模。

根據三維地形數據、三維建筑物模型、三維小品模型，可以時間數字城市的三維建模，直觀形象的反映城市的三維信息，為數字城市建設提供基礎數據。

4 結論

城市基礎地理信息數據極為復雜，傳統的二維數據已經難以滿足城市管理的需要。三維模型的建立，為數字城市建設提供了基礎數據。目前數字城市已經得到了廣泛的應用，為城市管理、規劃等工作提供了有力的幫助。隨著社會的發展及技術的進步，智慧城市已經成為未來發展的趨勢，如何針對數字城市的建設現狀，綜合運用物聯網技術、智能傳感技術、數字通信技術建立智慧城市，值得進一步研究和探討。

參考文獻

[1] 閻鳳霞，張明燈.三維數字城市構建技術[J].測繪，2009，32（2）：93-97.

[2] 雷林輝.基于數字城市地理空間框架的GIS應用系統建設[J].測繪工程，2013，22（4）：48-51.

[3] 李德仁，邵振峰，楊小敏.從數字城市到智慧城市的理論與實踐[J].地理空間信息，2011，9（6）：1-5.endprint