自從戈爾提出“數(shù)字地球”的概念后 , 用數(shù)字形式表示地理空間成為熱點 , 數(shù)字省市、數(shù)字城鎮(zhèn)已經(jīng)成為世界各國發(fā)達省市和地區(qū) 21 世紀的發(fā)展戰(zhàn)略 , 成為爭先搶占科技、產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的制高點之一。在構建數(shù)字城市的過程中 , 城市三維景觀建模是一個重要的組成部分 , 是攝影測量與遙感、地理信息系統(tǒng)及計算機科學等學科的研究內(nèi)容之一。城市三維景觀的建立 , 將以全新的方式表達和處理地理空間信息，在城市規(guī)劃、房地產(chǎn)開發(fā)、交通管理、旅游等領域起著重要的作用。
隨著信息化時代的迅速發(fā)展 , 人們對城市中各種三維信息的表達與處理日益迫切 , 不僅需要表達單個建筑物或建筑物群體 , 還需要建立整個城市景觀模型 , 并希望利用這些模型進行有關城市的規(guī)劃設計、應急指揮等工作。然而 , 由于快速構建大規(guī)模三維模型較困難 , 城市三維建模受到數(shù)據(jù)資源不足的困擾。一方面 , 規(guī)則、簡單的建筑物難以真實表達現(xiàn)實的三維世界 ; 另一方面 , 精細建模不但費時費力 , 數(shù)據(jù)量也給系統(tǒng)后期的可視化和空間分析帶來很多難題。在數(shù)字區(qū)域研制中 , 城市虛擬建模往往面臨著“數(shù)據(jù)量大 , 任務繁重 , 硬件要求高 , 開發(fā)周期長”的難題 , 從而大大限制了該領域的發(fā)展。為此 , 筆者通過對比研究和實驗 , 綜合已有的方法，針對城市景觀模型的特點，探索出一個相對經(jīng)濟快捷的解決方案，并以 skyline 系列軟件為平臺，以河南許昌市為試驗區(qū)，完成城市三維景觀的構建，為城市三維景觀的建設提供了一個思路，相信對于推動我國城市三維建模將會有所幫助。
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1 三維建模研究現(xiàn)狀 ?
目前人們對城市三維景觀建模作了很多研究，三維建模從技術本質(zhì)上將，大致有如下三種實現(xiàn)技術：一是直接使用三維模型制作軟件 , 如 Sketch Up 、 3DMAX 等軟件進行建模 ; 二是直接利用傳統(tǒng) GIS 的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應的高度屬性進行三維建模 , 各建筑物表面還可以加上相應的紋理 ; 三是利用數(shù)字攝影測量技術進行三維建模。第一種方法能逼真地表示城市的精細結構和材質(zhì)特征 , 但所建模型不能表示真實的地理位置 , 且制作需耗大量的人力和物力。第二種方法利局限于較規(guī)則建筑物的三維建模，對城市的精細節(jié)點表達力度不夠，視覺效果不是很好。第三種方法目前來說成本還相對較高。
在進行城市三維建模的實際操作中，面對名目繁多的地物類型和大量的地表建筑 , 單純使用以上的某一種技術方法很難做到快速而有效，所以往往是將不同的技術方法綜合使用，即多源數(shù)據(jù)多種方法綜合的三維建模。例如，早期人們將航空影像與 DEM 疊加 , 用以構建城市的地形或建筑群景觀模型。盡管這種方法方便、快捷 , 但所構建的建筑群缺少側(cè)面紋理及幾何信息。在此基礎上 , 有學者提出基于 2DGIS 與 DEM 結合構建三維城市模型的方法 , 但該方法僅能在城市自然景觀上建立較為規(guī)則的建筑物模型 , 難以構建城市中諸如河流、道路、綠化、市政設施等較為復雜的實體。目前許多學者借助成熟的三維建模成果 , 基于對象的平面底圖數(shù)據(jù)、航空影像或地面攝影影像對其進行三維重建，這種建模方法雖然可以建立精細、逼真的三維模型 , 但整個建模流程需要手工操作 , 自動化程度低。而且這種方法建立的模型數(shù)據(jù)量非常大 , 不利于 3DU GIS 的可視化和空間分析，而基于幾何要素的三維建模方法 (CSG 方法 ) 和基于程序的建模方法由于受幾何要素的規(guī)則性限制 , 難以描述較為復雜和真實的三維建筑 , 多用于對現(xiàn)實真實性要求不強的三維游戲、軍事仿真等領域。
從整體上講 , 上述三維模型的構建方法因可視化效果差或自動化程度低 , 已成為制約地理信息發(fā)展和數(shù)字城市建設的瓶頸。
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2 數(shù)據(jù)準備和技術路線
2.1 實驗區(qū)概況
實驗所選樣區(qū)為河南省許昌市老城區(qū)。片區(qū)面積為 1.8 平方公里，單體建筑上千棟，區(qū)內(nèi)古老與現(xiàn)代建筑并存，且有大面積的水體和綠地，充分體現(xiàn)出一般城市應具有的復雜性與多樣性，具有很強的代表性。
2.2 數(shù)據(jù)源
1) 許昌市老城區(qū)及其周邊地區(qū) 1 ∶ 500 地形圖 (DWG 格式 ) ，地形圖坐標系統(tǒng)采用 1954 年北京坐標系，地形圖內(nèi)容包括道路、水體、等高線、建筑物和標注信息，地形圖的信息采集時間為 1998 年。
2) 許昌市老城區(qū)及其周邊地區(qū) QucikBird 高分辨率衛(wèi)星影像，影像成像時間為 2005 年 , 采用的坐標系統(tǒng)為 UTM 投影坐標系。
3) 許昌市老城區(qū)部分建筑物及其他物體的近景數(shù)碼照片 , 數(shù)碼照片拍攝時間為 2007 年。
2.3 軟件配置
核心應用軟件為Skyline系列軟件，用于三維展示和應用開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio2005。輔助軟件有四套，名稱及主要用途為：ArcGIS用于矢量數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換；AutoCAD用于建筑物輪廓提取及數(shù)據(jù)源處理；PhotoShop用于紋理圖像加工與處理; 3DSMAX用于特殊建筑的三維建模。
Skyline 系列軟件是非常優(yōu)秀的三維地理信息系統(tǒng)軟件，它是由三個相互獨立的子系統(tǒng)構成: TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGate，通過這三個子系統(tǒng)可以把不同的地理數(shù)據(jù)聯(lián)系起來,并且可以把它們快速的分發(fā)到各個用戶。
2.3.1 TerraBuilder
融合大量的影像、高程和矢量數(shù)據(jù),以此來創(chuàng)建有精確坐標的三維模型地形數(shù)據(jù)庫。
2.3.2 TerraExplorer Pro
它是一個桌面應用程序,使得用戶可以瀏覽分析空間數(shù)據(jù),并可以對其進行編輯。也可以在上面添加二維或者三維的物體、瀏覽路徑、場景以及地理信息文件。TerraExplore 與TerraBuilder 所創(chuàng)建的地形庫相連接,并且可以在網(wǎng)絡上發(fā)布。
2.3.3 TerraDeveloper
它是TerraExplorer 家族中的一款產(chǎn)品,利用它可以定制客戶需求功能。
2.4 技術路線
整體技術路線是將實驗區(qū)的 OuickBird 衛(wèi)星影像以及高程數(shù)據(jù)加載到 Skyline 系統(tǒng)的 TerraBuilder 軟件中，并對這些數(shù)據(jù)的格式進行轉(zhuǎn)換，然后進一步生成MPT 格式的文件， 形成 Skyline 系統(tǒng)的 TerraExplorer Pro 軟件所需要的地表數(shù)據(jù)集。接下來在 TerraExplorer Pro 中，加載地表數(shù)據(jù)集，導入矢量數(shù)據(jù)集及相關數(shù)據(jù)，進行二維、三維模型的建立，進而生成真實的三維城市景觀。圖 1 為具體的技術路線。
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3 城市三維模型的建立
3.1 地形建模
地形建模的方法主要是采用在某地區(qū)的 DEM 數(shù)據(jù)的基礎上疊加遙感影像來完成三維地形的顯示。
對 DWG 地形圖進行處理，刪除不必要的圖層，僅保留建筑物、標注、綠地、道路樹木以及等高線所在的圖層，提取其中的等高線圖層，然后對等高線數(shù)據(jù)進行內(nèi)插處理，生成地形 DEM 。這一過程可以在 AutoCAD 和 ArcGIS 中完成。
對快鳥影像進行糾正和投影變換，并使用 Photoshop 進行調(diào)色處理，使其符合美觀自然的原則，作為地形紋理或者說是三維城市的“底圖”。
將坐標系統(tǒng)一的地形 DEM 和遙感影像加載到 Skyline 系列的 TerraBuilder 軟件中，生成 *.mp 格式的文件，該改格式的文件即為反應地形起伏和表達真實地面紋理的地形數(shù)據(jù)集。
3.2 建筑物建模
對于大區(qū)域的建筑群進行三維建模時，需要對不同類型的建筑物進行分別建模，提高效率。對于城市片區(qū)內(nèi)部的建筑以簡單紋理的體塊表示；沿街的主要建筑需要在體塊的基礎上添加照片紋理，增強真實感；對于結構復雜或者重要的標志性建筑可使用 3DSMAX 進行單獨建模，賦以精細的結構和紋理。這樣處理不僅會提高建模的效率，而且減少了數(shù)據(jù)量，有利于三維場景的顯示和漫游。
3.2.1 普通建筑的建模
在 AutoCAD 中對地形圖進行處理，對不需要的線進行刪減，減少數(shù)據(jù)量，只剩下主要并清晰的建筑物輪廓，將數(shù)據(jù)導入到 ArcGIS 中進行拓撲檢查，對那些沒有閉合的建筑物輪廓線進行閉合處理，以保證后面的建模可以順利進行，將處理好的建筑物數(shù)據(jù)與樓層標注信息進行空間關聯(lián)，給建筑物賦以樓層屬性，并按照每層 3 米 來推算建筑高度。從而得到包括建筑物的平面輪廓數(shù)據(jù)和高程信息的矢量數(shù)據(jù)
在 Skyline 系列的 TerraExplorer Pro 軟件中加載之前生成的地形數(shù)據(jù)集，導入建筑物矢量數(shù)據(jù)，按照高度屬性進行拉伸處理，得到建筑物體塊。由于數(shù)據(jù)源的時間差問題，可能會存在少量的建筑物與遙感底圖中顯示的建筑物不匹配的問題，需要使用 TerraExplorer Pro 中的 3D-Building 功能，在建筑物的位置上進行三維建模，使建筑物體塊與遙感底圖一致，并輔以簡單統(tǒng)一的紋理。對于處于城市地塊內(nèi)部的大量建筑群可采用這種方式進行建模。
3.2.2 紋理映射
紋理的意義可簡單歸納為 : 用圖像來替代實體模型中的可模擬或不可模擬細節(jié)，提高模擬逼真度和顯示速度。建筑物紋理是建筑物三維模型的重要組成部分，它的質(zhì)量決定了場景的整體效果與紋理細節(jié)，并最終決定場景的逼真程度。對于沿街的主要建筑需要進行紋理添加，增強真實感。
建筑物的紋理包括側(cè)面和頂面兩部分，分別通過近景數(shù)碼照片提取和影像提取的方式。試驗區(qū)內(nèi)拍攝有大量的建筑近景照片，需要在 Photoshop 中對近景照片進行處理 , 主要是綜合利用裁剪、拼接、自由變換和拉伸等一些基本操作。根據(jù)試驗可以得出：處理后的照片最好保存為 JPG 格式 , 以減少數(shù)據(jù)量 , 同時圖像的分辨率應調(diào)整為 2 的冪次方 , 圖像的大小也應該盡量小于 100KB 。而建筑模型的頂面紋理則是從遙感影像中采集的。
??? 對紋理圖片進行處理之后，在 TerraExplorer Pro 軟件中選擇沿街建筑的相應立面，進行紋理映射，添加紋理，增強了城市三維表達的真實感。
3.2.3 特殊建筑
對于城市內(nèi)一些結構復雜的建筑或是標志性建筑，如果采用自動拉伸的方法建模會使建筑物產(chǎn)生嚴重失真 , 如古建筑、橋梁、大型雕塑等 , 諸如此類的不規(guī)則物體及其標志性建筑物都需要進行單獨的建模。
?? 在 3DMAX 中對這些建筑進行單獨建模，賦以精細的結構和材質(zhì)。將建好的模型轉(zhuǎn)為 *.x 或是 *flt 格式，這是 skyline 支持的兩種 3D 文件格式，這兩種格式的模型文件都比較小，利于加載和顯示。這一格式轉(zhuǎn)化的過程需要第三方插件來完成。轉(zhuǎn)換格式之后的模型文件可直接加載到 TerraExplorer Pro 中，調(diào)整好位置和相關屬性，從而完成特殊建筑的建模，試驗區(qū)內(nèi)需要單獨建模的建筑有十處左右。
3.2.4 其它建模部分
對樹木的處理，采用透明紋理的方法，而不是立體模型，這樣做的目的主要是考慮到數(shù)據(jù)量的問題。目前通用的方法是采用交叉面紋理或是單個紋理表現(xiàn)單個樹木，本研究采用單張紋理的方式。當采用此方式時，樹木的顯示為廣告牌技術，即不論場景怎么旋轉(zhuǎn)，對象總保持面向屏幕和觀測者。這種方法雖然紋理畫面比較簡單，但是在最大可能上節(jié)省了數(shù)據(jù)空間，這樣做也保持了較好的觀賞性。對道路和綠地的處理，可以相對靈活，可以采用真實紋理的方式，也可以用單一顏色表示，
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4 城市三維景觀的展示
在加載地形數(shù)據(jù)集，添加矢量數(shù)據(jù)和相應的模型之后，即可在 TerraExplorer Pro 中進行城市三維景觀的瀏覽漫游，也可以進行二次開發(fā)，定制界面和相應的功能。本研究采用 Skyline 系列的 TerraDeveloper 開發(fā)工具對許昌市老城區(qū)三維展示系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。 TerraDeveloper 以 ActiveX 控件形式提供豐富的應用客戶化定制功能。可在可視化集成開發(fā)環(huán)境 Visual Studio2005 中，利用 TerraDeveloper 開發(fā)工具，集成 TerraExplorer Pro 軟件系統(tǒng)的全部功能以及自定義的界面，開發(fā)獨立的 3D 可視化應用系統(tǒng)。可在該系統(tǒng)中進行基本的漫游導航操作，對整個許昌市老城區(qū)的三維景觀進行瀏覽。其應用界面如圖 2 所示。
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5 總結
本文提出了一套完整的城市三維建模的解決方案。首先介紹了三維建模的研究現(xiàn)狀，然后以CAD地形圖和遙感影像為數(shù)據(jù)源，以skyline系列軟件為平臺，完成了許昌市老城區(qū)的三維建模，最后利用skyline提供的開發(fā)包實現(xiàn)了許昌市老城區(qū)三維展示系統(tǒng)。結果表明這種三維建模方式是切實可行的,能夠高效快速的建立大場景的城市三維景觀，直觀快速地顯示和瀏覽三維信息，能滿足城市三維建模的需求。目前基礎測繪部門的地形數(shù)據(jù)大部分仍然是DWG 格式的數(shù)據(jù),采用此方式來進行城市三維景觀的構建能節(jié)省大量的人力和物力，既適合我國國情,又能滿足多種需要,對于提高三維虛擬城市數(shù)字小區(qū)的建設速度具有重要的示范意義和指導作用。
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