增城市綠道三維互動展示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李琳琳，曹凱濱，管斌

(1.增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃測繪院，廣東增城 511300； 2.從化市規(guī)劃勘察測繪隊，廣東從化 510900)

增城市綠道三維互動展示系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李琳琳1?，曹凱濱1，管斌2

(1.增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃測繪院，廣東增城 511300； 2.從化市規(guī)劃勘察測繪隊，廣東從化 510900)

城市綠道的規(guī)劃、建設、管理運營都貫穿著三維技術，城市綠道的功能展示也是綠道使用價值提高的重要手段，

三維互動展示系統(tǒng)；3D GIS；三維建模；綠道；3ds Max

1 引 言

三維互動展示系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實技術將演示媒體與設計工具巧妙結(jié)合，將所有景物構筑成三維立體、功能強大的智能演示界面，使其活現(xiàn)在用戶面前，產(chǎn)生身臨其境的感覺[1，2]。

增城市結(jié)合公園化戰(zhàn)略，按照主干道路生態(tài)型、鄉(xiāng)村郊野型、城區(qū)都市型的分類標準，率先規(guī)劃建設了500 km具有當?shù)靥厣娜缶G道網(wǎng)絡:自駕游綠道、自行車休閑健身綠道、增江畫廊水上游綠道，成為廣東省綠道建設示范。為了更好地宣傳增城的綠道建設，并充分借助綠道的示范效應展示增城市優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢，打造宜居城鄉(xiāng)和綠色大珠三角優(yōu)質(zhì)生活圈上的一顆璀璨明珠，增城市城鄉(xiāng)規(guī)劃局組織開展了增城綠道三維互動展示系統(tǒng)項目。該系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)基于2008年利用航空攝影測量方式完成的市行政范圍內(nèi)1∶2 000的DOM、DEM、DLG的數(shù)據(jù)建庫，此外，大量的規(guī)劃設計數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為三維展示提供了諸多素材。

2 建模技術方法與路線

增城綠道三維建模，綜合運用GIS、遙感、多媒體及虛擬仿真等技術建立增城綠道沿線部分景點區(qū)域的三維數(shù)字模型，模擬真實的地形地物和景觀形態(tài)；通過亞運龍舟賽場、三忠古廟、白水寨等二十多個單元的建筑和配景三維數(shù)字模型的制作，總體上達到綠道整體輪廓準確，重要地段形態(tài)清晰，局部重點刻畫精細的建模要求，以實現(xiàn)虛擬綠道展示。圖1表示了亞運龍舟賽場的三維模型。

2.1 建模工具

綠道三維建模工具包括數(shù)據(jù)提取、仿真建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換三個部分，分別采用ArcInfo及AutoCAD、3ds Max和Panda DirectX[3]。

圖1 亞運龍舟賽場三維模型

2.2 建模要素和模型精度

建模要素包括綠道沿線的地面(包括道路、水系、地塊面)、建筑、橋梁、配景四大類。

本項目采用分精度等級的思路建立綠道三維仿真模型，模型整體位置、體量、形態(tài)與地形圖基本一致。重點路段道路、地塊面、水系以及沿路建筑、橋梁和配景須按實際情況制作，位置準確、外形真實、協(xié)調(diào)美觀，保證步行模式和低空瀏覽漫游方式下瀏覽的視覺效果。對于建筑模型，全部景點均采用精細建模，能反映建筑細部(如:屋頂結(jié)構，建筑轉(zhuǎn)折面——轉(zhuǎn)折大于2 m，建筑與地面交界的鋪地、臺階、柱子、出入口等)和建筑附屬元素，模型紋理采用真實的拍攝影像。

2.3 建模技術路線和方法

采用面片結(jié)構的三維模型的建模包含幾何建模(Geo-Metrical modeling)與紋理貼圖(Texture-Map-ping)兩部分[4～6]。增城綠道三維建模分為資料收集分析、模型造型與光影烘焙制作、模型轉(zhuǎn)換合成優(yōu)化三個主要步驟，具體工作流程如圖2所示。

圖2 綠道三維建模工作流程

資料收集包括從地形圖獲取道路、水系、建筑等二維矢量數(shù)據(jù)，航空攝影數(shù)據(jù)，現(xiàn)場拍攝照片。模型造型以二維矢量數(shù)據(jù)為制作基礎，空間位置、形態(tài)、體量應與矢量數(shù)據(jù)一致，建筑的高度以測高數(shù)據(jù)與層數(shù)屬性推算相結(jié)合確定，對于明顯與地形圖不一致的地方，以現(xiàn)狀為準。在白?；A上，根據(jù)照片特征精化、修改模型，使其與實際相符。使用3ds Max造型，在兼顧效果的情況下，盡可能簡化多邊形數(shù)量，貼圖采用實拍照片經(jīng)PhotoShop處理平正、祛除雜質(zhì)、調(diào)整色差獲取。模型明暗陰影關系通過烘培的方式獲得。烘焙貼圖尺寸為1 024×1 024，貼圖有效利用率要盡量高，需要設置拓展邊6個～8個像素，背景色為白(R255、G255、B255)。重點建筑要求低點觀察，貼圖不模糊。光影烘焙后需要回貼到貼圖通道中，貼圖坐標要正確。重點單元地塊面把地塊分割為100×100的塊面烘焙。

3ds Max模型需導入Skyline環(huán)境并與相關屬性建立連接關系。

2.4 關鍵地物的三維建模

三維虛擬場景采用三維驅(qū)動平臺Skyline系列軟件集成完成，利用最新的DOM和DEM數(shù)據(jù)生成整個測區(qū)范圍真實的三維地形。關鍵地物則采用3ds Max軟件建模，將建好的模型經(jīng)過渲染、格式轉(zhuǎn)換之后導入三維場景，該模型質(zhì)量高、細節(jié)表現(xiàn)明顯。

(1)建筑三維建模

綠道周圍的特色建筑是本項目精細建模的重點。建筑建模關鍵在于三維幾何數(shù)據(jù)和紋理的獲取，其中三維幾何數(shù)據(jù)主要通過傳統(tǒng)測繪方法獲取，本項目充分利用該地區(qū)已有的1∶2 000、1∶500的基本地形圖資料，建筑高度數(shù)據(jù)則通過增城市建設工程竣工驗收測量等專題數(shù)據(jù)庫獲取，不完善的高度信息和紋理則分別通過外業(yè)調(diào)繪、拍照的方式取得[5]。

(2)綠道三維建模

綠道路面的建模數(shù)據(jù)來源于綠道的橫斷面測繪數(shù)據(jù)；首先是道路路基的建模，道路的路基自動化建模的關鍵在于相鄰橫斷面上特征點之間自動建模，即如何自動構面。本文是利用三角形作為建模的模型，只在相鄰的兩個斷面形成三角網(wǎng)，速度較快，而且能解決冗余問題[5，6]。當遇到綠道曲線段時，則采用圓曲線的形式代替轉(zhuǎn)折處的三角形的外邊，如圖3所示。

圖3 綠道三角形建模與圓曲線處理示意圖

(3)樹的三維建模

綠道兩邊的樹木亞熱帶特色鮮明，因此樹的三維建模也是本項目重點。傳統(tǒng)的樹的實現(xiàn)方式有:仿真樹、貼圖樹(二維圖片)、十字樹。仿真樹非常逼真，但構建過程較為復雜，工作量大，運行占用內(nèi)存較大，影響漫游速度；貼圖樹最方便，但視覺效果不能很好滿足要求[7][8]。本項目中樹的三維實現(xiàn)采用了二維十字交叉圖片即十字樹，可減少內(nèi)存的占用、增加瀏覽的速度，并能滿足視覺的需求，如圖4所示。

不同樹的識別與建模:利用航空正射影像(DOM)圖像識別的方法解決樹種的問題。通過提取樹的面積、周長、重心、樹干、輪廓等幾何形狀特征，根據(jù)各自的閾值按二叉分類的方法進行分類，其中輪廓、重心作為判斷的主要依據(jù)[6]。根據(jù)綠道兩邊樹木的現(xiàn)場調(diào)研，樹木類型分為5類，對這5類樹木分別建立圖片庫供樹木三維建模使用，建模方法采用上述十字樹的方法。

3 三維互動展示系統(tǒng)的建立

綠道三維互動展示系統(tǒng)利用SkyLine Soft公司的Terra Suite三維GIS系列軟件平臺，通過其二次開發(fā)的應用功能，來滿足增城市綠道景觀三維展示的實現(xiàn)、共享、管理保存等方面的要求。在Skyline軟件平臺上，將增城綠道網(wǎng)絡路網(wǎng)數(shù)據(jù)、路邊景觀、景點數(shù)據(jù)及其他附屬設置三維模型導入三維場景中，添加美化場景的素材信息資料，并集成規(guī)劃屬性信息。

開發(fā)應用于面向增城市綠道三維展示，分步驟展現(xiàn)項目范圍內(nèi)規(guī)劃成果的三維模型(含房屋模型、附屬設置模型)，并帶有規(guī)劃屬性信息；實現(xiàn)逐層添加項目范圍內(nèi)未來的規(guī)劃設計數(shù)據(jù)，用地規(guī)劃、功能區(qū)規(guī)劃、三維規(guī)劃場景、綠道網(wǎng)絡路網(wǎng)信息、景觀景點模型數(shù)據(jù)等，并帶有規(guī)劃屬性信息以及相關模型的屬性信息，全面展現(xiàn)增城市綠道的發(fā)展規(guī)劃以及規(guī)劃效果和后期產(chǎn)生的熱點經(jīng)濟效益，圖5為三維互動展示場景。

圖5 三維互動展示場景

該系統(tǒng)在上下坡的坡頂點、坡底點設置了節(jié)點，使得瀏覽的速度有相應的加速度，模擬自行車的上下坡速度變換的特點，平地上會勻速前進，有較強的體驗感。

4 結(jié) 語

使用不斷發(fā)展的三維技術逼真地描述現(xiàn)實世界，可更好地輔助地理空間信息公共服務乃至數(shù)字城市的建設。本文從增城市綠道虛擬三維景觀建設的需求出發(fā)，較為詳細地闡述了三維建模和三維GIS系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的多個技術要點，給測繪地理信息等相關單位特別是縣域城鄉(xiāng)規(guī)劃管理部門提供了技術參考。目前，系統(tǒng)在重點工程視域分析、規(guī)劃決策、領導視察路線預定等方面得到相應的應用。

[1] 朱小戌.街景與三維模型在數(shù)字城市建設中的優(yōu)劣對比[J].南方測繪，2011，2:2～2.

[2] 劉明輝.三維建模在城市規(guī)劃管理中的應用[J].山西建筑，2011，37(27):252～253.

[3] 周靖斐，章皖秋，林紫峰等.GIS系統(tǒng)中實現(xiàn)規(guī)?；ㄖ锏娜S建模方法[J].地理空間信息，2011，9(1):85～87.

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[5] 毛健，蘇笛.地理場景三維可視化系統(tǒng)的關鍵問題研究[J].城市勘測，2012，4:9～11.

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Design and Implementation on the 3D Interactive Display System of Greenway in Zengcheng City

Li Linlin1，Cao Kaibin1，Guan Bin2
(1.Urban-rural Planning and Surveying Bureau of Zengcheng City，Zengcheng 511300，China；2.Survey Team of Conghua City Construction，Conghua 510900，China)

Planning，construction and management of city green way operations through the 3D technology，the function of urban green road show and is an importantmethod of green use value increase，so the construction of a city green way 3D interactive display system is necessary.In view of the demand for the greenway virtual 3D landscape construction in Zengcheng，this paper design a suitable 3Dmodeling solution for greenway demonstration and propaganda.It has great help on quality of 3D modeling by Stepped-controlling.And it realizes 3D visualization on the greenway and even the whole city scene with 3DGIS.

3D visualization system；3D GIS；3D modeling；greenway；3ds Max

1672-8262(2013)05-26-03

P208

B

2013—03—05

李琳琳(1979—)，女，高級工程師，主要研究方向為工程測量、電子地圖和GIS應用。

因此建設一個城市綠道三維互動展示系統(tǒng)很有必要。本文針對增城市綠道三維虛擬景觀建設的需求，設計了一種綠道展示宣傳的三維建模方案，可較好地控制建模質(zhì)量，并結(jié)合3D GIS技術實現(xiàn)了綠道乃至整個市域場景的三維可視化。