“數字城市”中三維模型數據的建設與應用

劉 影

(廣州都市圈網絡科技有限公司，廣東廣州511400)

一、引 言

“數字城市”是城市信息化發(fā)展的方向，是數字地球的一部分，三維地理信息數據是“數字城市”的重要基礎空間信息。城市三維數據的建立能夠全方位、直觀地給人們提供有關城市的各種具有真實感的場景信息，并可以第一人稱的身份進入城市，感受與實地觀察相似的體驗感。通過建立基于真實影像的“三維數字城市”，人們可以直觀地從三維城市上判讀出山川、河流、樓宇、道路。借助傳統平面地圖的概念，疊加空間矢量數據、地物興趣點數據及三維模型數據，形成可視化的三維“數字城市”展示系統。

隨著地理信息新技術的不斷出現和“數字城市”建設步伐的加快，城市三維地理數據作為一種新的城市空間信息數據越來越受到城市規(guī)劃、建設和管理部門的青睞。作為三維地理信息系統建設的基礎性、核心內容，城市三維地理信息數據的建設情況決定了三維地理信息系統應用的廣度與深度。由于城市規(guī)劃的關聯性和前瞻性要求較高，城市規(guī)劃一直是三維可視化技術應用的主要領域，建立基于影像的城市三維系統，構建真實、準確的虛擬城市場景，實時互動地評估與分析規(guī)劃方案，為城市規(guī)劃的決策提供更加直觀與科學的依據，這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的，是當今城市規(guī)劃信息化發(fā)展的重要方向。

二、“數字城市”的數據構成

三維“數字城市”模型主要由基礎數據和三維地理模型數據組成。

1)基礎數據:包括數字線劃數據、影像與紋理數據、數字地面模型和對象屬性數據等。

2)三維地理模型:包括地形建模、比較規(guī)則的實體建模、樹木草地建模、小品建模和特效的繪制(如火、煙霧等特效)。城市三維建模是為城市規(guī)劃、建設、運營、管理和數字城市建設提供技術服務，是城市經濟建設和社會發(fā)展信息化的基礎性工作。

三、數字城市制作中三維模型數據處理與制作標準

三維模型數據處理包括圖形數據處理與影像處理兩部分。其中，圖形數據處理分為二維矢量圖形處理和三維模型制作，柵格處理分為影像處理和相片糾正。

1.模型坐標系

具有統一的三維地理坐標是建造大規(guī)模三維場景和應用系統的基礎。武漢市三維數字地圖系統建設以國家1∶2000和1∶500地形圖為基礎，使該系統能與其他GIS和測量系統兼容。為使三維模型能夠順利、正確地導入數據庫，所有坐標都應基于統一的坐標系。

2.模型的基本單位

城市大比例尺地形圖通常采用平面坐標系，以米為單位，因此模型建造也應以米為基本單位，按實際地物的實際尺寸建模，尺寸精度根據該模型所處的LOD級別而定。

3.模型的制作

都市圈“數字城市”項目中三維模型制作一般包含8個主要的建模步驟，包括地形圖預處理、地形圖導入、白模創(chuàng)建與修正、三維精細化建模、模型過程檢查、建筑紋理貼圖、模型命名與分組，以及配置記錄與導出。

4.模型定位參考點

每個模型必須有用于定位的參考點。定位參考點是模型局部坐標系的原點，用于精確定位模型的空間位置，這對于引用三維場景中相同或類似的地物非常有用(如電桿、路燈、交通燈等)。武漢市三維數字地圖建模規(guī)定:模型的定位點為地形圖上該地物外接矩形的中心，縱向為模型最低點。

5.模型的高度

都市圈“數字城市”項目中模型的高度，尤其是建筑物高度，根據不同細節(jié)程度模型的表現需要，可采用以下3種方式確定:①體塊模型、基礎模型的建立，可根據現有二維GIS數據(如樓層數)確定建筑物及其他要素的高度;②質量要求較高的模型，可采用航片立體相對、激光測高儀或LiDAR確定建筑物及其分段部位的高度;③精細模型高度從建筑設計圖或施工圖獲得。

6.樣條曲線/面的使用

樣條曲線/面能用較少的參數細膩地表現連續(xù)表面，但轉化為通用格式(如3DS)后會帶來巨大的數據量，因此模型的制作盡量不采用樣條曲線/面，或在使用后將其轉化為折線，而后進行曲線/面優(yōu)化。

7.相片處理

對于實地拍攝的相片，必須先進行透視矯正，然后進行色調調整，對于標準級別以上的模型，還需要清除遮擋物，以獲得良好的視覺效果，最后根據地物所在的分區(qū)編號、建筑編號規(guī)范紋理名稱。

8.紋理映射

紋理映射只采用散射貼圖(diffuse)和透明貼圖(opacity)。三維建模軟件通常都支持豐富的紋理映射方式，但通用交換文件格式通常只支持有限的幾種，因此，紋理映射應只采取最常用的貼圖方式。

9.模型的制作工具與成果提交形式

都市圈“數字城市”項目建模工具制作的模型以兩種方式提交:一種為建模工具默認的格式(如Max文件);另一種為轉換的3DS文件，并以文件夾的形式提供紋理，模型文件名、文件夾的名字應相同。

四、三維數據在城市建設中的應用

三維數據以其強大的功能和廣泛的應用改變了城市規(guī)劃和建筑設計，表現形式從傳統效果圖、沙盤模型、三維動畫的設計模式提升到數字技術。更重要的是它實現了對城市環(huán)境從過去到未來變化狀態(tài)及趨勢進行科學的仿真、模擬和預測。

1.三維數據在城市建設中輔助規(guī)劃分析

都市圈“數字城市”三維模型數據利用城市空間數據建立一個逼真的、立體的、可交互的虛擬城市環(huán)境，可實現城市規(guī)劃的全方位、自動化設計理念，并且利用三維可視化技術構建的虛擬城市景觀可以從眾多的規(guī)劃方案中選擇具有最佳效益的一個，主要是輔助規(guī)劃辦案人員更加規(guī)范、科學地進行業(yè)務辦公(如圖1所示)。

圖1 規(guī)劃方案的對比圖

2.三維數據為人類活動帶來的便利應用

都市圈“數字城市”三維模型數據建成后通過系統功能對三維場景的光影分析及景觀視域的模擬評估。通過拉動時間軸，可以在三維渲染屏幕上瀏覽片區(qū)改造后對于周邊建筑物的景觀光照效果的分析評估。通過三維數據的光影分析結果，清晰表示樓宇的光線明亮度及可見陽光的區(qū)域和時間變化情況，為人們外出活動提供便利(如圖2所示)。

圖2

五、結束語

數字城市建設已成為測繪領域一個重點研究對象，三維“數字城市”建設是一項龐大的系統工程，在設計時就要依據項目應用需求和信息共享需要，確定好三維模型的精度和制作技術標準，保證成果滿足設計要求和應用要求。城市三維信息系統的建設必將成為數字城市系統建設的主要內容之一，它將利用城市現有的空間地理信息、政務信息等信息資源和通信基礎設施，通過城市建模和三維景觀可視化，實現城市真實三維景觀再現，為電子政務、業(yè)務應用和公眾服務搭建三維GIS服務平臺。