數(shù)字城市的三維城市模型的實現(xiàn)

劉丹，劉俊紅，董強

（牡丹江市國土資源局，黑龍江牡丹江 157000）

隨著信息化時代和地理信息系統(tǒng)、虛擬城市等領(lǐng)域在世界各國的迅速發(fā)展，人們對城市中各種三維信息的表達與處理日益迫切，三維建模技術(shù)是通過利用三維建模軟件，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)所建立的各種地理實體，如：地形、建筑物、道路、水面、樹木、草地及其一些輔助性的設(shè)施，在虛擬三維空間建立與現(xiàn)實地物地貌一樣的三維模型。大規(guī)模城市三維建模工程不斷出現(xiàn)，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(guān)城市開發(fā)決策支持、城市的規(guī)劃設(shè)計、應(yīng)急指揮、三維空間分析、污染分布仿真、土木工程等工作。近年來隨著城市三維模型越來越廣泛地應(yīng)用，以及虛擬城市三維可視化、在眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，從而成為普遍關(guān)注的焦點，三維模型的表示日益成為地球空間信息在線服務(wù)的主要方式。

1 城市三維模型的種類與建模方法

1.1 三維模型的種類

三維城市模型可以分為地形模型，地物模型兩個大類。地形是數(shù)字城市中最重要的地理對象，是城市實體的三維空間基礎(chǔ)。DEM是地理信息系統(tǒng)中最重要的空間信息資料和進行地形分析的核心數(shù)據(jù)，也是繪制三維實體和進行地形分析的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在地物模型中主要考慮建筑物、道路、橋梁和水域等地物的建模，而建筑物 是城市模型中最關(guān)鍵的地物，它的建模對于三維城市可視化具有十分重要的意義。

1.2 三維建模方法

1.2.1 采用造型軟件建模。綜合運用AUTO CAD，3D MAX，IMAGIS，Multigen Creator和Erdas等三維建模軟件進行三維建模工作，盡量把模型建得和實物建造的一樣。

1.2.2 采用三維影像方式建模。把DEM，DOM，DLG數(shù)據(jù)與航空攝影照片進行疊加，通過全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的處理生成三維影像。

1.2.3 采用GIS屬性建模。利用現(xiàn)有GIS系統(tǒng)中X、Y坐標和作為屬性數(shù)據(jù)的Z坐標值，直接生成三維模型。

2 三維模型的構(gòu)建與實現(xiàn)

2.1 搜集源數(shù)據(jù)

作為數(shù)字城市的基本數(shù)據(jù)內(nèi)容，三維城市模型在大多數(shù)情況下往往也是其代名詞。不僅以三維的形式表示城市景觀，而且還能逼真地描述表面特性。因此，地形地貌的特征和材質(zhì)參數(shù)的描述如幾何形狀、相片紋理與屬性等都將是三維城市模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容。利用機載GPS接收機進行數(shù)字化航空攝影測量和RS技術(shù)采集所需要的數(shù)據(jù)，通過處理制成包括：數(shù)字高程模型（DEM：Digital Elevation Model）、數(shù)字正射影像（DOM：Digital Orthoimage Map）及地物（人工地物與自然地物）的三維模型數(shù)據(jù)（3DMD：3D Model Data）、紋理數(shù)據(jù)以及文化屬性特征數(shù)據(jù)。DEM生成整個系統(tǒng)的三維地表模型，而DOM主要用于在三維地表上生成相應(yīng)的基本紋理文化特征數(shù)據(jù)屬于GIS中的一部分，是一通過測繪技術(shù)得到的矢量數(shù)據(jù)，用于描述各種人文景觀和自然景觀，在三維地形數(shù)據(jù)庫中，這些特征數(shù)據(jù)要借助于特定三維模型和特定紋理來表達。

2.2 三維模型的創(chuàng)建基本流程

各種城市地物三維模型的創(chuàng)建，是三維城市模型生產(chǎn)最為復(fù)雜與關(guān)鍵的部分，直接決定了三維城市模型的精度與逼真度。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件與特點，城市場景三維模型創(chuàng)建的基本流程可分為四個部分：（1）基于航測立體像對三維空間點采集與三維模型的創(chuàng)建。這一部分工作包括立體像對上可觀測地物（主要為建筑物）三維特征點編碼與采集和三維模型的創(chuàng)建與編輯兩個步驟，所處理的地物類型主要為建筑物及其附屬設(shè)施：主要指房屋建筑。這一階段所創(chuàng)建的三維表面模型將作為后續(xù)工作的基礎(chǔ)與依據(jù)，也是可量測與分析三維城市模型的主體；（2）野外調(diào)繪和紋理影像采集與制作。直接在立體像對上采集并創(chuàng)建的三維模型只表達了城市部分地物的三維幾何結(jié)構(gòu)，其逼真三維景觀的生產(chǎn)，需要在野外實地調(diào)繪并記錄各類地物空間與屬性信息，同時采集相關(guān)地物的紋理影像；（3）建筑物景觀模型的制作。根據(jù)前一階段采集的建筑物相關(guān)信息與紋理影像，制作建筑物各側(cè)面的紋理，制作航測階段量測不完整建筑物的CAD模型，輸入建筑物屬性信息；（4）地面景觀的制作。地面景觀的制作以增加場景的逼真度與可視效果為目標，有選擇地對城市地面目標進行建模與表達，主要包括：交通及其附屬設(shè)施、市政公共設(shè)施、能夠表達城市景觀特征的主要植被、景觀及游樂設(shè)施以及主要水域。上述四個生產(chǎn)步驟，第一個步驟為其他三個步驟的基礎(chǔ)，而第二個生產(chǎn)步驟則為最后兩個生產(chǎn)步驟的基礎(chǔ)。最后兩個生產(chǎn)步驟，可依次進行，也可以同時獨立進行的DEM數(shù)據(jù)和3D矢量數(shù)據(jù)，必須執(zhí)行無損的數(shù)據(jù)壓縮操作，以保證數(shù)據(jù)的精度與完整；對影像數(shù)據(jù)在保證可視效果的前提下，只能以有損的JPEG壓縮方法對其行處理。

2.3 數(shù)據(jù)管理

三維城市模型不僅以三維的形式表示城市景觀，而且還能逼真地描述表面特性。因此，表面特征和材質(zhì)參數(shù)的描述如幾何形狀、相片紋理與屬性等都將是三維城市模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容?？梢姡词挂粋€中等規(guī)模的城市，詳細的三維城市模型的數(shù)據(jù)量也將是驚人的，“海量”一詞則是對此最為形象的描述。因此，三維模型只能管理有限的數(shù)據(jù)，必須采用分區(qū)的一體化方式來進行管理。將整個區(qū)域分成若干個小的區(qū)域，使得每個局部區(qū)域內(nèi)獨立的一塊DEM、DOM以及三維模型，在可視表現(xiàn)時全部加載到計算機內(nèi)存中渲染和操作。管理一體化數(shù)據(jù)的方法所涉及的另一個方面是數(shù)據(jù)壓縮。由于三維城市模型整體數(shù)據(jù)十分龐大，從提高數(shù)據(jù)的存取效率（特別在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下）與節(jié)約存儲空間兩方面考慮，對數(shù)據(jù)的壓縮是一個十分重要的數(shù)據(jù)管理策略?？紤]數(shù)字高程模型、三維矢量數(shù)據(jù)模型以及影像數(shù)據(jù)三種不同類型數(shù)據(jù)的不同特性，對壓縮方法的選擇也有所區(qū)別。

2.4 可視化表現(xiàn)

可視化是人機交互的基礎(chǔ)，為用戶設(shè)計自己的生活環(huán)境提供了窗口和工具。三維可視化是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)的。在虛擬技術(shù)的支持下，賽博空間代替了傳統(tǒng)的抽象地圖和用來解釋、分析和討論設(shè)計思想和城市進展的描述性文件，而以生動的圖片展現(xiàn)在用戶眼前。設(shè)計者展示在人們面前是設(shè)計結(jié)果明確的照片紋理信息，從這里可以看到設(shè)計后的城市面貌，照片紋理的三維城市模型更方便了人們的理解，他們能識別特定的元素并能根據(jù)空間位置和比例尺的大小來調(diào)整他們的視線。從而展現(xiàn)在人們面前的是栩栩如生的三維城市模型，克服了設(shè)計專家和顧客之間的空間文化的差異，并為人類觀察自然、欣賞景觀、了解實體提供了身臨其境的感受。可視化技術(shù)與城市規(guī)劃領(lǐng)域結(jié)合的問題由于城市規(guī)劃的復(fù)雜程度和預(yù)測性要求較高，城市規(guī)劃一直是對可視化技術(shù)需求最為迫切的行業(yè)之一。從總體規(guī)劃到城市設(shè)計，從控制性詳細規(guī)劃到修建性詳細規(guī)劃，在規(guī)劃的各個階段都能運用可視化技術(shù)，以人為本，通過對現(xiàn)狀和未來的描繪（建筑高度控制、實時景觀分析、豐富自由的城市感受、多方案城市空間比較等），形成各具特色的城市風格。可視化技術(shù)將成為設(shè)計師和公眾聯(lián)系的紐帶，它能改變規(guī)劃過程和規(guī)劃成果的表現(xiàn)形式，使規(guī)劃設(shè)計過程本身和成果都能得到普通市民更加廣泛的理解和認可。運用VR技術(shù)能夠使政府規(guī)劃部門及公眾可從任意角度，實時互動真實地看到規(guī)劃效果（如圖1），更好地了解城市的空間和理解規(guī)劃師的設(shè)計意圖，這是傳統(tǒng)手段所不能達到的。

在城市規(guī)劃領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計／表現(xiàn)方法基本包括以下4種：手繪草圖、模型、效果圖、動畫。長期以來城市設(shè)計中往往是通過規(guī)劃師徒手繪制渲染來完成其表現(xiàn)，方案的精度差、視覺效果與實際的誤差很大。所以，人工手繪只能作為輔助用在概念設(shè)計中。建筑模型雖然能夠獲得比較精確的比例和空間效果，但是成本較高，不易修改，而且只能從人眼通常觀察不到的角度進行鳥瞰，實用性不強。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，開始應(yīng)用建模的方法來創(chuàng)作建筑模型，然后根據(jù)模型的復(fù)制實現(xiàn)設(shè)計方案的效果圖渲染，建筑動畫就是這種表現(xiàn)方法的延續(xù)，這是一種初步的可視化技術(shù)與城市規(guī)劃設(shè)計的結(jié)合，但是這種方法的缺陷是觀察者往往只能從某一個固定的角度或局部對設(shè)計方案進行觀察，所以在對方案進行評價時，就有很多方案細節(jié)無法觀察到。此外在設(shè)計方案時，設(shè)計師往往只能憑借經(jīng)驗，無法在一個虛擬的環(huán)境下感受建筑的尺度、比例、色彩等的對比，而在可視化系統(tǒng)中，人們就能夠在一個虛擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)交互的方式對未來的建筑或城區(qū)進行審視：可以實現(xiàn)從任意角度、距離和精細程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種瀏覽模式，如：行走、駕駛、飛翔等。而且，在漫游過程中，還可以實現(xiàn)多種設(shè)計方案、多種環(huán)境效果的實時切換比較。這是傳統(tǒng)的建筑效果圖和三維動畫所無法達到的，也是規(guī)劃可視化與傳統(tǒng)方案表現(xiàn)的優(yōu)勢之所在。

三維模型在數(shù)字城市建設(shè)中為政府及各行業(yè)提高工作效率和管理水平、決策科學(xué)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并實現(xiàn)了各部門、各行業(yè)信息資源的集成和共享。