基于skyline的城市三維建模技術探討

吳飛宇

（蚌埠市勘測設計研究院，安徽蚌埠 233000）

基于skyline的城市三維建模技術探討

吳飛宇?

（蚌埠市勘測設計研究院，安徽蚌埠 233000）

針對城市三維建模工作的復雜性，以蚌埠市新城區城市三維建模為例，對比傳統的三維建模方法，探討出一種快速構建三維建模的方法。在Skyline軟件的基礎上，結合Sketchup和Autodesk 3ds Max三維建模軟件，實現城市三維模型的快速構建，并成功地運用于三維建模工作中。

數字城市；Skyline；三維建模；可視化

1 引 言

近年來，隨著科學技術、信息技術和網絡技術的高速發展，城市的信息化成為必然的趨勢，快速推進數字城市建設已是刻不容緩。三維數字城市［1］已從理論技術的研究階段過渡到軟件產品的開發應用階段，地理信息系統技術得到迅速發展，已廣泛應用于社會經濟建設中。然而，快速構建大規模三維模型顯得較為困難，城市三維建模［2］主要受到兩方面的困擾。一方面，規則而簡單的建筑物難以反映出真實的三維世界；另一方面，精細建模不但耗時耗力，而后期大量數據的處理也比較繁瑣，數字城市建模常常面臨著“任務重、數據量大，硬件要求高，開發時間長”等難題。為此，針對城市三維建模的特點，本文選用支持海量數據的skyline 6.0軟件，以蚌埠市新城區三維建模為例，通過對城市三維建模方法的研究和分析，為城市三維建模提供了一個新的思路，能較好地滿足城市三維場景實時建模的需求。

2 三維建模資料準備

文中選取蚌埠市新城區0.6 km2面積進行三維建模，測區范圍內包含建筑、花園、水體和綠地等，能夠體現出城市三維建模所具有的多樣性和復雜性，有一定的代表性。三維建模所要準備的數據主要包括DLG數據、DEM數據、DOM數據和其他相關數據。首先，通過航空攝影獲得地面分辨率 0.072 m的數碼影像，采集一定數量的像控點，利用VirtuoZo NT進行空三加密生成所需的DEM和DOM成果數據。這些成果資料可獲取較為準確的建筑物高度、建筑物頂部結構及紋理的信息資料。由于該測區個別建筑物較高，1∶500比例尺數字地形圖成果，通過數字化測圖和外業補測結合的方式獲取，作為三維模型建設的平面位置底圖。

3 三維建模的技術路線

城市三維建模的技術路線是將測區范圍內的DOM影像和DEM數據加載到Skyline軟件［5］的Terra-Builder模塊中，并對這些數據進行處理，然后獲得MPT格式文件，形成Skyline軟件的TerraExplorer Pro模塊所需要的三維地形數據集。利用三維建模軟件Sketchup和Autodesk 3ds Max［3，4］進行建模，導出.X格式文件，加載到TerraExplorer Pro模塊，通過對進行場景搭配處理，進而獲得真實的三維數字城市，具體的操作流程如圖1所示。

圖1　三維數字城市建模流程

4 三維模型的構建［6］

4.1 地形建模

地形建模的方法主要采用在DEM數據基礎上疊加DOM正射影像來實現三維地形顯示。對于色彩不好的DOM影像，可采用Photoshop軟件對其進行勻光勻色處理，作為三維數字城市的“底圖”。結合蚌埠市地形的特點，文中通過利用TerraBuilder加載坐標統一的DEM數據和DOM數據，創建文件金字塔，生成三維地形文件“?.mpt”，最后導入TerraExplorer Pro中進行三維場景整合。對于效果不太好的區域，如道路上車輛等看起來雜亂無章，可利用TerraExplorer Pro自帶的工具進行繪制道路，處理過的道路就顯得更加逼真。

? 收稿日期:2015—12—24

作者簡介:吳飛宇（1987—），男，工程師，主要從事航空攝影測量、GIS數據處理處理與應用、工程測量等工作。

4.2 建筑物建模

在對建筑物進行建模時，考慮不同類型建筑物的復雜性和多樣性，應根據城市三維建模標準和規范［7，8］中的模型精細程度的不同，將模型可為體塊模型、基礎模型、標準模型和精細模型。體塊模型依據已獲取的建筑物基底輪廓線，加上建筑物高度和層數等屬性信息，利用建模軟件批量拉伸生成，再統一添加單色紋理信息表示。基礎模型是在“白模”的基礎上，簡單地表現出房屋的頂部結構，再添加與影像上相似的紋理，模型反映出建筑物的整體特征。也可在TerraExplorer Pro中，按正射影像建筑物的輪廓直接拉伸生成，頂部紋理采用正射影像中的紋理。標準模型反映超出 0.5 m外的細節特征，常采用Sketchup軟件半自動化交互式建模。首先獲取建筑物準確的底部輪廓和高度數據，構建主體結構，再附加陽臺、窗、屋頂和女兒墻等附屬結構，紋理貼圖需要實地拍攝，能基本反映出建筑物的顏色、質地和圖案，物體外立面和頂部主要變化細節應清晰可辨。精細模型反映超出 0.2 m外的細節特征，常采用Autodesk 3ds Max軟件逐個進行幾何建模和渲染。主要流程包括:實地勘測、外業拍照、建立模型、貼圖處理、模型烘焙、模型導出。紋理貼圖要求真實表現建筑物的外觀，可利用數碼相機進行野外采集，經Photoshop軟件處理獲得高清紋理貼圖。考慮到蚌埠市新城區建筑物較多，這里僅選取一些標志性建筑進行精細建模，個別棚戶區采用簡單模型和白模處理，其他建筑則采用標準模型建模，從而在建模過程中有效提高工作效率。

4.3 交通設施建模

在Skyline 6.0中，可直接利用 TerraExplorer Pro 中tools工具進行道路、電桿、樹木、柵欄等交通附屬設施模型。在繪制時，要求道路邊界與DLG矢量數據和DOM影像相吻合，紋理和材質與實際一致。若不能滿足實際要求，可利用Autodesk 3ds Max軟件進行制作，通過插件導出.X模型格式，再加載到TerraExplorer Pro中，調整好屬性和位置，從而完成建模。

4.4 其他景觀建模

城市三維建模中，除了地形、建筑物、交通以外的其他模型，還包括雕塑、綠化、噴泉、水面、小品等其他輔助設施。對于大面積單一景觀，如草地、水面等，可采用二維邊界賦予真實紋理來建模。垃圾桶、戶外健身設施、亭子、裝飾照明等可直接調用通用素材庫的紋理和模型實現快速建模、大型復雜景觀如雕塑等，可采用Autodesk 3ds Max軟件進行精細建模。

5 三維模型優化

為了確保整個三維場景運行得更流暢，在不影響模型顯示效果的基礎上，需要將三維模型進行優化，主要從以下幾個方面進行優化。

（1）貼圖的顯示需要占用大量資源，對模型紋理處理顯得至關重要。紋理圖片保存格式為jpg格式，透明貼圖要求帶透明通道的dds、png或tga格式。貼圖像素大小應為2的N次方，且長與寬的比例不宜過大。在貼圖清晰度可接受的情況下，圖片盡可能小，保存分辨率一般設為72，品質為8。

（2）在建模的過程中，主體模型在保證視覺效果的前提下，使用盡可能少的點、面、多邊形。對模型中重合的點進行焊接，刪除場景中不可見面和冗余面，以便提高場景運行速度。

（3）建模時應按照實際尺寸建模，即導入場景中使模型的scale值為1。建模過程中數據的小數點前或后的位數不宜太多，以便提高運行速度。

（4）使用透明貼圖代替立體模型。在三維建模中，針對樹木的處理，可采用透明貼圖的方法。利用TerraExplorer Pro直接加載單張紋理或交叉面紋理，設置屬性對象總保持面向觀測者，這種方法可有效節省數據空間，同時樹木看著也比較真實。

6 城市三維景觀的可視化

利用TerraExplorer Pro加載所需三維地形文件，添加相應的模型，確定模型的相對位置，使其顯示于平臺窗口之中。通過增加花草樹木、水面反射效果、加入動態人物和車輛等，使其呈現出一個活靈活現的虛擬三維城市。此外，可通過設定漫游路線，在TrerraExplorer pro中實現對三維景觀的瀏覽漫游，讓人有種身臨其境的感覺。這里選取新城區的某一視角三維場景如圖2所示。

圖2　新城區某一視角三維場景可視化

7 結 論

城市三維建模是一個復雜的過程，包括數據收集、三維建模、數據管理等許多方面的工作。開展三維建模之前，需要對數據處理提出處理標準，為后續資料收集、數據預處理、模型制作等具體工作的開展形成指導。文中以蚌埠市新城區三維建模為例，在skyline6.0軟件的基礎上，結合sketchup軟件和Autodesk 3ds Max軟件進行建模，完成了該區域的三維模型的快速構建。結果表明，這種三維建模方式是完成可行的，能夠快速實現城市三維景觀的可視化，滿足城市三維建模的需求。

［1］卞玉霞，謝剛生.三維城市建模過程中的質量控制［J］.測繪通報，2011，7（7）：21～23.

［2］楊建思，杜志強，彭正洪等.數字城市三維景觀模型的建模技術［J］.武漢大學學報，2003，36（3）：37～40.

［3］陳麗金.基于3DS Max的城市三維建筑模型建模方法研究［J］.測繪技術裝備，2012，14（1）：7～9.

［4］肖坤，閆浩文，王中輝.基于3ds MAX的三維數字城市可視化模型構建方法［J］.測繪與空間地理信息，2014，37 （10）：68～70.

［5］侯妙樂，劉忠貞，孫維先.基于Skyline的三維數字校園［J］.北京建筑工程學院學報，2009，24（4）：18～21.

［6］鄧潔，夏春林，王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立［J］.遙感技術與應用，2008，23（5）：529～532.

［7］方軍，黃長青，張錄松.基于Skyline的城市規劃三維建模技術流程與應用［J］.江南大學學報，2014，13（1）：84～89.

［8］CJJ/T 157-2010.城市三維建模技術規范［S］.

Research on Urban 3D Modeling Technology Based on Skyline

Wu Feiyu
（Bengbu Design and Research Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Bengbu 233000，China）

In view of the complexity of urban 3D modeling，contrasted with the traditional 3D modeling method，a new method is discussed，which is based on 3D modeling of Bengbu city.Based on the Skyline software，combined with Sketchup and 3ds Max Autodesk 3D modeling software，the 3D model of the city is built quickly，and it is successfully used in 3D modeling of our institute.

digital city；skyline；3D model；visualization

1672-8262（2016）02-61-03中圖分類號：P208.2

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