基于Skyline的三維實景地圖創建

朱濤，黎恒明，杜延峰，方青

（西安測繪總站，西安 710054）

基于Skyline的三維實景地圖創建

朱濤，黎恒明，杜延峰，方青

（西安測繪總站，西安 710054）

隨著“數字城市”建設迅猛發展和三維可視化技術不斷成熟完善，三維實景地圖作為其基本載體，在城市空間信息共享和數字化管理水平等領域有著十分廣闊的應用前景。以Skyline為平臺，在采用RCD30傾斜相機航攝數據獲取基礎測繪產品的基礎上，集成融合影像數據、地形矢量、專題數據等多源信息，構建城市三維地表數據集。結合城市實際將地物分為建筑物、植被、交通運輸設施、獨立地物等四類，采用3ds Max、TerraExplorer搭建地物三維框架并進行紋理映射，獲取城市三維地物數據集，實現三維實景地圖創建。

三維實景地圖；三維建模；Skyline

0 引言

近年來，隨著傾斜攝影技術的日趨成熟和地理空間信息動態可視化強需求的不斷增強，特別是Skyline[1，2]、SketchUp[3]等開發平臺不斷完善極大推動了實景三維地圖技術研究，使“數字城市”建設得到了迅猛發展。三維實景地圖作為“數字城市”基本載體，將三維實景模型與三維地理信息系統有機地結合起來，能夠全方位、直觀地給用戶提供城市真實感的三維場景信息，并具有多維信息處理和空間分析的特點[4]，有效提升了地理空間信息的數據集成應用效能，為政府機關及各行業提高工作效率和管理水平提供數據基礎，在城市管理、國土資源、測繪等方面有著廣泛的應用。本文以Skyline軟件為平臺，融合4D測繪產品、影像數據、專題數據等多源信息，運用三維建模、虛擬現實、數據庫等技術，對城市地面地表地物進行三維建模，并建立各種對象專題屬性數據庫，實現了三維實景地圖的構建。

1 Skyline軟件

Skyline是一款具有先進的數字化三維顯示、可視化漫游和基礎三維分析功能的三維虛擬地球軟件，由TerraExplorer、TerraBuilder、TerraGate等三大應用模塊組成。該軟件平臺提供了從數據生產、編輯到網絡發布的一整套的成熟的商業解決方案[5]。可疊加航空影像、衛星影像、矢量數據、數字高程模型等多源數據以及地理信息系統數據集，支持ERDAS IMAGINE、ER-Map鄄per、GeoTIFF、BMP、JPEG、GIF、NITF、SID、WFS、GML、SDE、WMS、AutoCAD、Oracle、Excel、Shp、3ds Max等多種數據格式，通過Internet進行創建、瀏覽、發布交互式完全真實的三維環境模型。同時，支持 COM、Java Script、Visual C++、Visual Basic等語言腳本訪問API應用程序接口，進行二次開發，定制客戶化應用程序。

TerraBuilder主要用于構建三維可視化的地形地貌，高精度的計算地形起伏，將采集得到的影像數據準確的貼到指定坐標[6]。該模塊能對不同分辨率數據進行重新投影，簡潔、快速地創建3D數據集。用戶可通過TerraBuilder創建、編輯具有精確地理坐標的三維地形數據，添加二維、三維實體模型，生成任意尺度的現實視景，并通過Stream或者Package的形式分發到客戶端。

2 三維地表模型構建

三維地表模型是對真實世界三維地表的模擬，準確反映地貌單元、地形起伏、地面覆蓋等實際情況。建立合適的地表模型和處理流程，是準確描述復雜地表區域的關鍵。本文三維地表模型主要對道路、水系、廣場、草地等地面覆蓋進行處理。在搭建三維地表模型時，借助Skyline軟件中的TerraBuilder模塊，疊加真正射影像TDOM、數字高程模型DEM、地形數據等多源信息，按照多級金字塔方式進行分級、管理、顯示和表達，創建具有地理參考的、精確坐標的多分辨率地表數據集MPT,具體流程如圖1所示。

圖1 三維地表建模流程

（1）建立模型文件。新建工程，定義名稱和路徑，根據場景大小選擇相應的三維地形方式。

（2）參數設置。對需要添加的數據進行投影轉換和高程設置。Skyline提供球面（Globe）和平面（Planar）兩種模型，選擇球面工程使用WGS84坐標系，選擇平面工程根據相應要求選擇合適的平面坐標系統。高程設置主要是剔除無意義的高程值，如空值和峰刺。

（3）數據導入。Skyline支持的數據格式有：TIFF、BMP、IMG、SID、ECW、GIF、JPG、DEM、ADF等。導入數據之前需要統一地理坐標與投影信息。

（4）建立多級金字塔。為流暢分級顯示空間信息，對導入的影像和高程數據進行轉換和分塊索引，生成不同級別的分辨率文件，創建金字塔層結構數據MPU文件。

（5）數據編輯。按照各項指標與精度要求，對數據進行適當處理，包括地理參數設置、影像直方圖調整、場景范圍選擇、色彩調整、高程設置等。

（6）生成地表數據集。經過一系列數據處理后，可以打包生成三維地表數據集MPT文件，如圖2所示。在打包過程中，對數據進行壓縮，為了防止壓縮失真，采用最小壓縮比。

圖2 三維地表模型

3 三維地物模型構建

構建三維地物場景需要根據三維模型的重要程度來進行不同精度的模型制作，還要對數據的制作標準和技術流程做嚴格的規定與限制，包括制作精度和級別的劃分，制作單位，坐標系統和制作技術等流程進行規范[7]。根據地理要素體系和相應要求，將城市三維地物模型分為建筑物、植被、交通運輸設施、獨立地物等四類。獨立地物主要考慮路燈、電線桿、通信桿、電話亭、垃圾桶等公共設施及其他地物。

三維地物建模方法通常分為兩種，第一種是利用3ds Max、AutoCAD、3D Studio、MultiGen、SketchUp等外部工具建模后導入到系統中，第二種方法是利用軟件內部工具直接模擬開發。本文根據三維地物模型難易程度采取相應的方式建模：對于簡單建筑物，利用利用TerraExplorer模塊直接建模；對于復雜建筑物、植被、交通運輸設施和獨立地物，采用3ds Max建模，紋理部分采取部分真實部分模擬的方式。具體建模流程如圖3所示。

三維框架是三維建模所需的空間定位信息和幾何形態信息，主要在立體模型中采集。三維框架構建可分為素材準備、模型制作、光影烘培三個階段。素材準備階段是進行外業照片采集、室內照片處理和色調調整的過程，其中色調必須以影像色調為基礎色調進行調整；模型制作階段進行矢量提取、幾何特征加工、模型生成；光影烘培主要是對細節進行精細化建模。實際制作過程中，根據地物模型適當調整。

（1）對于建筑物，首先用真正射影像輪廓確定建筑物頂部，然后實地確定建筑物的位置、高度、基底形狀、立面結構及附屬設施的輪廓和位置信息，根據實際地理位置進行偏移糾正，最后建立建筑物白模，如圖4所示。

圖3 三維地物建模流程

圖4 建筑物白模

（2）對于交通運輸設施，道路按照地表模型來采集，高架道路設施和橋梁則參照建筑物模型建立三維框架。

（3）對于植被，要區分獨立樹和林地。獨立樹要確定位置、高度和類型，通過軟件模型庫或者互聯網資源來選取合適的模型。林地需要確定各類植被的平均高度，還要通過實地拍照方式確定其空間布局，選擇合適模型來模擬。

（3）對于獨立地物，要測量位置、形狀和立面結構，并收集幾何形態的細節特征，通過3ds Max建模。

紋理映射是把二維的紋理圖像映射到三維物體表面，其關鍵點就是建立物體空間坐標與紋理空間坐標之間的對應關系[8]。紋理映射的質量直接決定三維場景的整體效果和細節表現，反映三維實景地圖的逼真程度和視覺效果。在紋理映射中，需要確保紋理數據與面映射的準確性，才能真實模擬現實地物。

紋理映射一般有以下三種方法：①由三維建模軟件模擬繪制。適用矢量建模，數據量比較小，處理速度快，但缺乏真實感；②由傾斜攝影方式采集。主要獲取地面、建筑物頂部和部分側面紋理，紋理信息豐富，但是存在變形扭曲等問題，后期圖像處理工作量大；③由地面攝影方式直接提取。這種方法主要獲取建筑物立面紋理，比較逼真，但是工作量較大，處理比較麻煩。總之，紋理映射要按照不同模型類型和細節層次采用滿足建模要求的方式采集，才能模擬出真實的三維模型，如圖5所示。

圖5 三維地物模型

（1）地表紋理信息：地表紋理數據利用數字正射影像數據采集，精細地表模型紋理采取實地拍攝方式采集。

（2）建筑物模型紋理信息：建筑模型的立面紋理采取實地拍照方式采集，頂面紋理可利用數字正射影像數據，也可利用相似紋理模擬。

（3）交通運輸設施紋理信息：頂部基本紋理利用數字正射影像采集，頂部路面標線、立面和底部紋理實地拍照方式采集。

（4）植被和獨立地物紋理像信息：采取實地拍照采集或相似紋理計算機模擬的方式獲取。

4 地圖創建與顯示

本文首先采用RCD30傾斜相機航攝數據，通過空中三角測量、DEM編輯、真正射影像制作等常規攝影測量生產，獲得基礎測繪產品。然后，在開發Skyline基礎上搭建三維可視化平臺，提出三維實景地圖創建解決方案。將三維實景地圖按照三維地表模型和三維地物模型兩步分別進行構建。三維地表模型主要對道路、水系、廣場、草地等地面覆蓋進行處理，在真正射影像TDOM上疊加數字高程模型DEM得到多分辨率地表數據集。三維地物模型主要對建筑物、植被、交通運輸設施、獨立地物等進行處理，用3ds Max、TerraExplorer搭建三維框架，采取實地拍照、真正射影像和計算機模擬等方式采集紋理信息并進行映射，從而獲得逐一構建三維地物模型。通過上述方式搭建和精細化操作之后，可構建與實地一致的三維環境，動態立體顯示地圖信息，實現了三維實景地圖創建，如圖6所示。

圖6 三維實景地圖

[1]YANG Jiu-ling,YAO Ping,YUAN Li.Composition and Analysis of Urban Skyline in Lakefront Region ofWanzhou District in Chongqing Municipality[J].Journal of Landscape Research，2016，8(3)：17-18.

[2]唐濤,陳宏宇,梁磊,翁中銀.基于Skyline的三維數字城市系統設計與實現[J].地理空間信息，2016，14(02)：31-33.

[3]曹兆峰,何燕蘭,李勝才.基于Sketchup和ArcGIS的數字城市三維建模技術[J].地理空間信息，2014，12(05)：46-47.

[4]羅萬波,陳小鴻,謝祖明.基于Skyline三維實景模型在三維GIS中的應用[J].測繪與空間地理信息，2016，39(07)：94-96.

[5]王之順.基于Skyline和SketchUp的三維可視化技術研究[D].廈門:福建師范大學,2012.

[6]李閩泉.基于Skyline的三維GIS在測繪行業的應用研究[D].廈門:廈門大學,2014.

[7]高晉寧.基于Skyline的城市三維景觀模型構建研究[D].昆明:昆明理工大學,2012.

[8]戴洪寶.基于Skyline的數字城市三維可視化系統的研究[D].西安:西安科技大學,2010.

Building of Real Three-DimensionalMap Based on Skyline

ZHU Tao,LIHeng-min,DU Yan-feng,FANG Qing
（The Xi'an Surveying and Mapping Technological Center,Xi'an 710054）

With the rapid development of digital city construction and continuous improvement of three-dimensional visualization technology,real three-dimensionalmap as the basic carrier,has a broad application prospect in the field of urban spatial information sharing and digital management.Takes skyline as the platform,on the basis of using the aerial photographic data of RCD30 oblique camera to acquire basic surveying and mapping products,integrating of image data,terrain vector,thematic data and othermulti-source information,to construc鄄tion of urban 3D surface data set.According to the actual situation of the city,it can be divided into four categories,such as building, vegetation,transportation facilities,independent objects,and so on,using 3ds Max and TerraExplorer to build three-dimensional terrain features and texturemapping to obtain urban 3D feature data set,so as to extract real three-dimensionalmap building.

朱濤（1989-），男，湖北黃岡人，碩士，助理工程師，研究方向為測量與遙感

黎恒明（1965-），男，江蘇高郵人，本科，高級工程師，研究方向目標判讀與解譯

杜延峰（1977-），男，河南偃師人，專業碩士，工程師，研究方向為攝影測量與遙感

方青（1986-），男，陜西延安人，本科，工程師，研究領域：攝影測量與遙感

2017-03-06

2017-04-15

1007-1423（2017）13-0042-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.13.010

Real Three-Dimensional Map;3DModeling;Skyline