2.5維城市電子地圖制作中三維場景的構建

羅帥偉，相廣芳，陳 迅，耿鵬旭

（1.平頂山學院 旅游與規劃學院，河南 平頂山 467000；2.四川圖正科技有限公司，四川 成都 610041）

2.5維城市電子地圖制作中三維場景的構建

羅帥偉1，相廣芳1，陳 迅2，耿鵬旭1

（1.平頂山學院 旅游與規劃學院，河南 平頂山 467000；2.四川圖正科技有限公司，四川 成都 610041）

2.5維地圖同時解決了二維地圖中信息量有限、表現力不夠和三維地圖的數據處理量過大的問題，但三維場景制作仍是2.5維地圖制作過程中最主要的環節。主要介紹了2.5維電子地圖中三維場景的制作過程，針對2.5維地圖的表示特點，結合項目實踐經驗，具體闡述了三維場景構建過程中的具體步驟、常見問題和制作技巧，解決了2.5維電子地圖制作過程中三維場景構建的諸多問題，為下一步進行地圖生成和發布打下了堅實基礎。

2.5維；建模；貼圖；場景；渲染

隨著網絡技術的發展，紙質地圖已不能滿足人們要求，近年來，電子地圖已成為市場的主流。簡單的二維地圖提供的信息量有限，而三維地圖的使用過程中需要處理的數據量過大，需要較高的數據傳輸速度和計算機處理能力，這些因素導致大多數用戶不能很流暢地使用三維地圖。2.5維地圖既可提供精度較高的二維平面位置服務，又可帶給用戶很強的立體感，增加了信息量。2.5維電子地圖中三維場景的制作大致分為4個步驟：建模區域劃分、建模并貼圖、導出模型并建立場景和場景拼接并出圖。

1 建模區域劃分

首先進行底圖處理，即進行圖幅檢查和坐標系轉換，主要工作包括檢查地形圖中地物位置及范圍的正確性，去掉不需要的點、線、面及各種形狀，刪除不需要的注記等。

城市所占的面積往往較大，為了提高建模效率且便于管理，采用分區域建模方法（圖1），建模分區應遵循以下原則：

1）為了使各建模小組的效率一致，建筑稠密區的分區面積應比建筑稀疏區面積小。

2）為了避免將來進行拼接時產生地面紋理不密合或建筑結構缺失現象，應以道路或河流為分區的分界線，這樣也可避免因建模人員思路不一而導致的同一小區建筑風格不一致。

3）區域劃分完成后，應給每個分區進行編號，并在底圖上標明各分區的詳細邊界及編號，方便以后的拼接工作。

圖1 實驗區分區

2 地理要素建模

表現地理要素的模型主要分為6類：建筑模型、道路模型、植被模型、水系模型、地面模型和其他模型。

2.1 建筑模型

在建模工作中，為了提高工作效率，減少模型存儲的數據量，提高系統運行速度，本文將所建模型分為精細模型、普通模型和簡單模型3種，實驗區中的標志性建筑物，如主要商場、寫字樓和城市標志性景觀等，采用精細建模方法；住宅小區樓房、廠房等采用普通建模方法；而實驗區內低矮簡易建筑或臨時性建筑采用簡單建模方法，具體建模標準見表1。

表1 建筑模型等級劃分表

表1中的詳細表現是指對建筑物的各個細節給予清晰、準確且完整的顯示，所用紋理也要采用建筑物的真實紋理，而概略表現則展現建筑物的大致形狀即可，紋理也可采用軟件紋理庫中的紋理。因為本次實驗生成的是傾斜視圖，所以房頂的紋理尤為重要，根據實驗區情況和表達效果的預期，房頂紋理應盡可能采用真實紋理，若真實紋理太過模糊或不易糾正，可采用紋理庫中的相近紋理替代。在建立三維模型時，對一些低矮的、立體效果不是很強的民房，應采用鞍型或脊型屋頂代替平頂，從而可增加其立體效果。

從整個三維場景美觀、協調的角度出發，本文對模型的規格和尺寸做了規定：①商場及寫字樓：層高為 3.5～4 m，一層商鋪為 3.5～5 m；②住宅小區及賓館：層高為 2.5 m，一層底商為3.5～4 m；③女兒墻：寬為0.3～0.4 m，高為0.3～1.5 m。

2.2 道路模型

本文將城市中常見的道路分為4個等級，針對各等級的實際需要，確定建模標準（表2）。

表2 道路模型等級劃分

國內很多城市區域，除了一般道路外，還有多種橋梁設施（立交橋、高架橋和景觀橋等）也應詳細表現。道路附屬設施，如交通護欄、柵欄等，可用同名紋理進行概略表現。

2.3 植被模型

若對實驗區內所有樹木都進行建模，會導致系統數據量過大，影響系統運行的流暢性。因此，本文對于標志性的樹木進行精細建模，對于大部分樹木采用單面樹粘貼透明紋理的方法進行建模，對于一般灌木及草地等普通植被采用粘貼紋理庫中植被紋理的方法進行場景布設（圖2）。

圖2 紋理庫中的植被紋理

2.4 水系模型

城市中的水系一般包括池塘、人工河、人工湖等，水系模型的建模與植被模型相似，采用在地面直接粘貼紋理庫中水域紋理的方法，但水系的邊界和附屬于水系的護欄應詳細表現。若水體邊界低于地面，則應在場景建立時有直觀而精細的體現。

2.5 地面模型

地面模型一般是以建模區域的數字高程模型為框架，以數字正射影像為紋理進行建模的，其原理為將數字正射影像“撐貼”在數字高程模型上，從而生成具有直觀立體感的地面模型。因為最終生成的是2.5維城市地圖，所以對體現地面高低起伏準確性的要求不是很高，且城市區域地勢的高低起伏也不會很大，基于此，若建模區域面積較小，可直接采用區域數字正射影像代替三維地面建模。但是，在實際的城市環境中，城市建筑的結構相對較復雜，很多情況下不能簡單地使用正射影像來代替三維建模，如低于地面的下沉廣場、體育場等，這類地物高低起伏的特征應明確反映。在城市中也有很多施工工地，對于此類地物應將其范圍界限準確清晰表示，以便將來建筑建成后進行準確更新。

2.6 其他模型

除了以上5種常規模型外，城市區域內還有公共設施和景觀設施等需要進行建模。在實際建模時，不可能對上述每個公共設施和景觀設施進行建模，對于在區域內位置較明顯、較重要的公共設施和景觀設施應著重顯示其特征，而對于不重要的公共設施和景觀設施用單面紋理代替表示即可。

綜上所述，在建立城市區域的三維場景時，需對城市的大致特征和主要細節進行準確表示，但在實際建模時，建模者不但要盡可能地表示地物的本質特征和細節結構，還要在表達地物特征的基礎上盡可能簡化模型，從而降低運行三維場景的數據處理量，提高系統的運行效率。

3 貼圖及模型導出

3.1 紋理采集

建模只是將地物的結構表示了出來，還需在所建結構上粘貼地物表面的紋理，使得模型逼真、美觀，因此如何粘貼真實又美觀的紋理是三維場景質量好壞的重要影響因素。

建筑物紋理一般分為頂部紋理和側面紋理，對于2.5 維地圖來說頂部紋理尤為重要，而在城市中的建筑物普遍較高且不易登上樓頂，因此本次實驗的頂部紋理采用無人機頂部拍照的方式采集；側面紋理則采用現場拍照的方式采集。紋理拍攝采集的過程中，應注意3 點：①在拍攝側面紋理時要對建筑物進行編碼，編碼分為兩 部分：第一部分為建筑物的名字，第二部分為建筑物不同側面的代號（實驗中規定：前面為1，后面為2，左面為3，右面為4），如國貿大廈的正面編碼為國貿大廈1，左側面編碼為國貿大廈3。②進行側面紋理采集時，要盡可能地進行正面拍攝，避免紋理扭曲，從而減小后期紋理處理的工作量。③拍攝照片要選在光線充足的晴天，保證紋理素材顏色美觀且真實。

3.2 貼圖處理

紋理采集后，需對所拍攝的照片進行處理，便于貼圖，處理過程應注意兩點：①紋理圖片的尺寸，即圖片寬度和高度的像素大小要設為2"，方便軟件對模型進行處理，同時也方便計算機對數據的存儲；②同一建筑各個面的亮度和彩度應盡可能一致，使得模型真實美觀（圖3）。

圖3 處理前的照片處理后所得紋理

貼圖時，應從盡可能地使模型紋理真實美觀，應注意4點：①對存在單面大面積的地物，這些面可用小塊紋理陣列平鋪代替整面大面積紋理，以減少系統處理紋理的數據量；②城市區域中很多建筑的附屬構件較復雜，若對這些細節構造進行建模并貼圖，將極大地增加建模工作量，且會大大降低系統運行速度，因此對那些不影響建筑特征表達的構造盡量用紋理代替；③對于特殊用途地面，如道路、運動場、廣場等，采用紋理庫中的專用紋理表示；④為了使整個場景統一協調，場景中的水系、道路、草地等地物應使用統一的紋理。

3.3 模型導出

貼圖完成后，各個獨立模型就已基本完成，接著應對各模型進行檢查，檢查內容包括：各模型是否與真實地物形狀一致、各模型的紋理是否粘貼正確，各模型的表面是否有裂面、各模型是否有多余線段等，檢查完畢后將所有的模型導入3ds Max軟件（圖4）。

圖4 渲染前的模型

4 場景拼接與出圖

4.1 場景設置

攝像機位置的設置對生成2.5維地圖來說至關重要，它直接決定了2.5維地圖的視覺效果，若攝像機位置設置不合理，會導致地物不能充分展示或立體感不強，攝像機位置過低會直接影響后期地圖拼接的精度，所以在場景設置中需對攝像機的位置進行多次試驗，從而求得最合適的位置。在相機位置設置時，應注意兩點：①應在渲染時先放置好攝像機，再根據場景和攝像機的位置確定燈光的方向；②為了減少將來場景運行的數據處理量，對于那些在2.5維地圖中看不到的地物表面可不粘貼紋理。

4.2 燈光布設

燈光布設得不理想將會使整個2.5維地圖黯然無色；相反，好的燈光布設會使2.5維地圖看起來色彩艷麗，因此對燈光的布設也應反復試驗，最終生成一幅理想的燈光渲染圖。燈光布設應遵循以下4點：

1）3ds Max軟件中預設場景的背景是黑色的，而在進行燈光布設后應盡量避免背景中出現黑色；另外，也應注意不要使燈光光線過于強烈，光線過強會使整個場景出現“泛白”現象，“泛白”的場景會嚴重影響地物光影的產生，影響2.5維地圖的效果。

2）燈光布設得過于冗雜會增加地圖渲染的時間，導致燈光效果不易控制，有時反而影響了地圖的良好效果。若燈光布設過于簡單又會使暗面較多，影響整體效果，因此為了使燈光的數量恰到好處，需反復試驗最終確定燈光的數量及亮度。

3）2.5 維地圖不同于一般的三維效果圖，應具有坐標和方位。中國處于地球的北半球，所以在地圖制作時應考慮將主要燈光布設在正南方向，特殊情況下也可設在偏南方向。燈光的照射難免會產生陰影，陰影過小產生的立體感不強，陰影過大則容易造成地物表達的缺失，所以要在保證有立體感的情況下使陰影面積盡可能小，從而不影響地物的表達。

4）在燈光布設的具體過程中，應選用平行光，同時要在地物的下部添加較弱光，以減少主燈光產生的陰影濃度，也可產生較好的退暈效果；還可添加泛光在背光位置，從而在背光面產生較好的退暈效果。

4.3 渲染出圖

渲染是指使用場景內已設置的燈光、材質為地物著色。在實際工作中工作區往往較大，因此需分區建模和分區渲染。分區渲染時，若采用不同的燈光及攝像機位置設置，會導致各分區渲染的視覺效果不同，給使用者帶來較大的不便，因此不同分區應使用統一的燈光及攝像機設置進行渲染（圖5）。

圖5 渲染后的場景

5 結 語

2.5維地圖在日常生活的作用越來越重要，通過2.5 維地圖不僅可獲取地物準確的平面位置信息，而且可獲取地物的高度和立體形象等直觀信息。與三維地圖相比，2.5維地圖減少了數據處理量，大大加快了運行速度，更加重要的是，2.5維地圖帶給用戶很好的立體感，鮮艷的色彩極大地增強了地圖的表現力。本文圍繞如何使2.5維地圖的三維場景更加精確、美觀、真實展開了論述，所述的三維場景制作流程已在多個實踐項目中得到應用，并獲得了較好效果，可較好地提高三維場景的制作質量，加快制作速度，為最終生成2.5 維地理信息系統打下了良好基礎。

[1]陳迅. 2.5維電子地圖的制作與發布[D].西安:西安科技大學,2012:14-22

[2]羅帥偉,孟魯閩.基于Skyline開發的房地產三維虛擬仿真系統[J].全球定位系統,2012,37(2):57-60

[3]雷娜娜.數字西安三維景觀系統的構建[D].西安:長安大學, 2009:9-21

[4]黃金浪.基于TerraScan的LiDAR數據處理[J].測繪通報, 2007(10):13-16

[5]羅帥偉.基于Skyline的城市三維地理信息系統的設計與實現[D].西安:西安科技大學,2012:31-39

[6]WU S Y,TANG R, CHEN W.Grid GIS and Its Application in Digital City[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunication (Natural Science Edition),2007,25(16):165-169

[7]Huising E J, Pereira L M G. Errors and Accuracy Estimates of Laser Data Acquired by Various Laser Scanning Systems for Topographic Applications[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,1998,53(5):245-261

P283.7

B

1672-4623（2017）07-0069-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.021

羅帥偉，碩士研究生，助教，主要從事三維地理信息系統方面的研究。

2016-05-04。

項目來源：國家自然科學基金青年基金資助項目（31301896）；平頂山學院青年科研基金資助項目（PXY-QNJJ-2014009）。