數字城市三維建模可視化技術研究與分析

任英橋+王磊

摘 要：三維模型在三維空間信息的表達上更為快速而逼真，在數字城市的建設中逐步成為研究重點。建筑物三維建模要完成數據采集、三維建模、模型發布等程序，以實現三維模型的可視化，為三維模型的應用提供使便利的條件。

關鍵詞：數字城市；三維建模；可視化；三維模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.116

數字城市是根據數字地球概念而提出的，信息化技術對城市發展的推動使數字城市不斷完善。數字城市的發展使三維模型逐步進入城市規劃與管理領域中，三維模型具備了極強的真實性和生動性，有效地傳達了數字城市的空間信息，因此成為數字城市研究的重點領域。作為城市空間信息的關鍵組成部分，建筑物是三維建模的重點內容，快速又逼真地為建筑物建立三維模型是建模的重點。

1 三維模型數據采集方法

1.1 地形地貌三維模型數據采集

三維建模的基礎工作就是從各種數據源中提取各種建模數據，這些數據源包括建筑物設計圖紙和文件、城市的數字地圖以及2DIGS數據庫、攝影測量的數據、遙感數據以及野外采集數據等。數字攝影測量能夠為建模提供各種幾何以及紋理數據，并且還可以提供各種拓撲以及語義信息。遙感數據能夠提供高分辨率的遙感影像，能夠使城市三維模型獲得詳細而豐富的幾何以及語義信息，能夠生成正射影像以及DTM數據，合成孔徑雷達則能夠提供詳細的地形地貌數據、地球表面以及地表下面的數據。在數字城市的三維建模中，需要的數據源包含二維圖形、地形地貌、地表信息、三維觀測數據以及模型表面的紋理等。

1.2 地面建筑物和構筑物三維模型數據采集

建構筑物三維模型所包含的內容有建筑、交通設施、植被以其他城市元素等模型。這些數據包括三維坐標、地物紋理以及地物屬性等數據。通過掃描平面地形圖以及設計圖、野外采集、GIS獲取以及遙感或航拍影像等能夠獲得三維坐標數據。通過建造圖紙、GIS、影像、激光雷達以及航拍攝像等能夠獲得三維高程數據。通過航空攝影、近景攝影以及計算機模擬繪制等技術能夠獲得地物表面數據。地物屬性數據則能夠從全國土地普查數據中獲得。

2 三維建模方式

2.1 三維軟件建模

AutoCAD、3DMAX、Maya等圖形和動畫軟件是當前主要使用的建模軟件，這些軟件能夠通過各種基本幾何圖形組成實體，再經過基本的幾何變換構建不同的幾何場景。利用這些軟件建立三維模型時，核心在于使用幾何建模來設計并表達一些虛擬的場景和造型。但這些軟件有很大的不利因素，如數據結構較為復雜且數據量較大，并且無法和地形進行疊加等。

2.2 專業建模軟件

MutiGen Creator等軟件具備了強大的功能，能夠進行大面積地形的建模作業，并且在運行中還可實現交互操作，也能夠對動畫場景進行實時計算，通過拓展性開發，還能夠和影像、矢量以及DEM數據作疊加。但在表達上精細度不足，也不能進行快速有效的交互編輯以及查詢工作。

2.3 OpenGL開發

OpenGL+VC模式，是以編程的方式構建模型。這種方式能夠使用大量的數學曲線和曲面來表現三維模型，并實現了數據結構的自定義和算法的數據顯示等功能。在實際使用中，一般使用3DMAX 或者MutiGen Creator來制作三維模型。

2.4 建模流程

首先處理二維矢量數據，再將數據導入進3DMAX軟件中。對數據進行分析并提取其中所包含的建筑物輪廓線，再結合實地影像和測量數據，將樓層數以及高程數據導入到軟件中，開始建立三維模型。完成模型后，導入已經處理完畢的表面紋理圖片，然后貼圖并檢查模型質量。檢查合格后再進行模型優化，利用渲染以及烘焙等優化模型。最后導出三維模型并保存。在存儲數據時，由于三維模型數據量龐大、結構復雜，因此需要使用專業的軟件來建立數據庫，如Oracle、SQL Server、Sybase、DB2以及Infomix等軟件，將數據入庫后，就能夠通過三維軟件實現模型可視化。

3 三維模型可視化

三維可視化是把圖像通過三維方式展現出來，通過影像處理、計算機模擬仿真、高清晰度顯示以及CG等技術的支持，就能夠利用圖形圖像的方式來顯示三維模型，用戶可以進行交互和操作。

當前主流三維展示平臺有Google Earth、SkylineGlobe、World Wind、圖靈VRMap以及GeoGlobe等軟件，其中，SkylineGlobe是使用較為方便和頻繁的一種演示系統。。部分城市建立了自己的數字城市展示平臺，圍繞服務理念，建立了一個多層次的體系架構，通過企業服務總線支持，建立了一個集.NET和J2EE為一體的運行環境，能夠對數據庫、業務流程、動態表單等進行管理，還能提供空間數據引擎服務。在平臺物理構成上主要包括了運行環境、地理信息平臺以及綜合應用系統。信息平臺能夠提供矢量數據、三維地理空間數據和屬性數據，并且能夠滿足政府、企業和大眾的瀏覽、分析以及決策需求，通過拓展運用，更能支持數據的編輯與交換、展示、分析、統計、匯總、輸出以及維護等功能。

4 結語

在當前的數字城市三維建模可視化技術中主要使用3DMAX技術進行建模，再利用數據庫存儲軟件進行數據的存儲，利用數字城市展示平臺實現了三維模型的可視化，并且可以提供顯示、定位、查詢等功能。在三維模型的建立中，要從數據的采集、三維建模、模型發布以及模型應用等相關環節，就能夠順利的完成數字城市的三維建模可視化操作。

參考文獻：

[1]周楊.數字城市三維可視化技術及應用[D].中國人民解放軍信息工程大學，2002.

[2]肖永輝.城市景觀三維建模與可視化技術的研究[D].解放軍信息工程大學，2006.

[3]周圣川.大規模城市場景圖形圖像混合建模與視覺無損渲染技術[D].中國海洋大學，2014.

[4]李麗.基于IMAGIS的數字城市三維建模與可視化研究[D].江西理工大學，2007.

[5]杜福光.基于ArcScene城市三維可視化研究與應用[D].西安科技大學，2010.