關于數字城市三維建模可視化技術分析

朱恒

摘 要： 數字城市是讓城市的信息管理實現數字化、自動化以及網絡化，而要想實現數字城市三維可視化，三維建模技術就是必不可少的。城市三維建?？梢暬侵竿ㄟ^三維可視化系統將城市區(qū)域之內的空間進行三維描述以及分析，能夠實現可視現實與虛擬現實相結合。而隨著科技的飛速發(fā)展，三維可視化技術已得到了廣泛的運用。本文從三維建模的方法出發(fā)，對三維可視化技術進行了分析，并且概述了城市三維可視化中所涉及的關鍵性技術。

關鍵詞： 數字城市； 三維建模； 可視化技術

1. 數字城市三維模型的建模方法

1.1 地形的三維建模法

數字城市當中，地形是最主要的地理對象，也是城市實體三維空間的基礎。它是將衛(wèi)星遙感技術捕獲的影像通過一系列的修正及校正后得到的正射影像輔以數字高程模型，即DigitalElevationModel（DEM）從而生成三維地形的圖形表示。DEM以數字化的形式將地形表面形態(tài)一展無疑，同時也占據了地理信息系統中空間信息資料以及分析地形的核心位置，三維實體繪制和分析地形都離不開它，而DEM主要是通過離散分布平面點上的高程數據來進行連續(xù)分布地形表面的模擬。DEM數據主要通過三種方法來獲取。一，利用野外測量儀等設備在野外進行實地測量，以此獲得的數據較為精準，但是效率較低，勞動強度大，不適合大范圍的數據獲取；二，將地形圖數字化，即將地形圖掃描之后，利用相關軟件對圖像進行矢量化，在添加了地形的特征后，就能得到DEM數據，該方法方便快捷高效；三，全數字攝影測量，以衛(wèi)星遙感影像為基底，利用該法獲取數據，需要借助專業(yè)的儀器設備才能使數組準確可靠。

1.2 地物的三維建模法

目前，建筑物進行三維建模的方法有三種：一，基于二維GIS的建模方法，即將二維城市的GIS數據直接轉換成三維，該方法不僅方便，還節(jié)省經費。但是二維GIS缺少了三維，建模所需要的第三維信息，因此，采用此法時，通常會將其與DEM相結合，以彌補三維建模所需的信息數據。但是由于缺乏準確的第三維數據以及相應的紋理信息，也讓構建的三維模型缺少真實感，對實體城市的表達也不夠完美；二，基于CAD的建模方法，也就是通過一些建模軟件如AutoCAD、3Dmax等來建立相應的三維CAD模型，其中，一個或多個多邊模型就能夠建立一個三維CAD模型，對建筑物的幾何特征及屬性信息能夠詳細準確的表達；三基于遙感影像的建模方法，即以立體的影像數據以及數字攝影測量技術為保障，再根據影像中所得到的第五坐標來建立數字模型。

1.3 地物紋理數據的獲取與映射

在建筑物的三維模型構建中，除了幾何模型的構建，紋理數據是不可缺少的一個要素。紋理數據可由三種方法獲得：一，貼圖素材庫；二，實地拍攝采樣；三，從遙感影像當中提取；以上三種方法是最為經濟的。地物三維模型的真實程度主要是取決于其表面貼的紋理影像的真實程度，而該紋理影像從航空影像當中進行提取。在獲取紋理數據之后，需要將其映射到相關的建筑物上，讓其具有真實性，紋理映射的原理是將模型中可模擬或是不可模擬的細節(jié)部分利用圖像來替代，從而使顯示速度以及真實程度有質的飛躍。紋理映射的核心技術是對紋理坐標的控制，每一個圖像都對應著一個坐標，并以文件的形式進行保存，因此，程序在運行時，只要其中的紋理映射坐標到位，地物上就能夠準確清晰的顯示出相應的紋理。

2. 三維可視化技術分析

2.1 三維可視化技術現狀

三維可視化技術的出現，讓世界出現了無數的可能，該技術被應用到各個領域、學科，促進了發(fā)展。例如，對于數字城市三維，要實現城市三維可視化，城市實體三維建模是必不可少的一個環(huán)節(jié)，而對城市實體的分析、表達都是其中的關鍵。目前，三維可視化技術大多以三維軟件的形式來展現。三維軟件分為三類：建模軟件；以模型為基礎，能夠實現漫游、分析、決策等基本操作的平臺軟件；以及讓三維可視化技術能夠應用到相應領域的應用軟件。

2.2 可視化應用系統的框架

城市三維可視化是通過對三維地形及地物的構成進行研究，利用計算機圖形學以及圖像處理技術，將城市實體以三維圖形的形式展現在人們眼前。將地理要素直觀、真實地展現出來，將空間數據可視化，因此，三維空間數據為三維可視化的實現建造了一個堅實的基底。三維可視化應用系統的框架主要由數據的提取與處理模塊、三維景觀生成模塊以及三維景觀瀏覽模塊組成。首先，數據的提取與處理，是指系統要將獲取的DEM、正射影像以及矢量線引入到三維地理信息系統當中，建立起相應的三維模型，同時將相關的數據輸入建立起對應的屬性數據庫，建立完成建筑物的模型，將其表面進行紋理映射，再進行其它地物的模型建立；其次，三完成維景觀建立后，便可對其進行漫游瀏覽，也就是從多個視角進行觀察，包括縮放、擴大、旋轉以及俯仰等，或是對制定路線進行漫游，如果條件允許，還可以輔以立體觀測設備進行真正的漫游。三維可視化系統的整個實現流程，如下圖：

2.3 三維景光可視化實現方法

三維景觀可視化包括地形可視化和地物可視化，首先，利用遙感影像技術來獲取地形、地物的數據信息，即將高分衛(wèi)星影像、DEM數據以及控制成果作為基本資料，正射糾正全色影像，并將糾正后的全色影像作為參考資料，配準糾正多光譜影像，再將糾正后的全色影像和多光譜影像進行融合，融合后的影像再按照圖幅來鑲嵌、裁切，通過影像增強、色彩調整等方法對分幅影像進行相應的處理，制作出DOM成果。三維可視化是將三維空間數據模型完美呈現，也可以將其稱之為3D幾何模型?？梢暬膶崿F方法如下：方法一，以數學數據為主的直接建模，即以OPENGL作為平臺進行建模，以此法進行建模時，要注意二維到三維轉換時像素的轉換，即投影的變換、視角的變換以及窗口的裁剪情況，還要注意將光照加入到模型中時，光源的位置、顏色以及其中對象的材料等因素；方法二就是以虛擬現實建模語言的VRML進行建模。

3. 數字城市三維可視化中所涉及的關鍵性技術

3.1 模型層次細節(jié)

模型層次細節(jié)是以物體與視點之間距離的遠近來確定模型精細的程度。在進行虛擬仿真時，數據量非常巨大，需要實時處理，精細程度直接決定了數據的處理速度，如果模型的精細程度過高，那么數據的處理速度就會相應地降低，若是精度過低，又達不到預期的顯示效果，因此精度的選擇很重要，為了避免這樣的問題出現，最好的方法就是進行分層，不同層次的模型用不同的驚喜程度，這樣交錯出現就不會造成數據壓力，同時也能達到預期的效果。

3.2 模型分塊

模型分塊是指根據模型所在空間位置的不同，將其劃分為不同的區(qū)域，這樣在進行數據處理時就能夠將模型各個模塊的優(yōu)點突出來，如果模型的空間范圍較大，利用模型分塊技術不僅節(jié)約系統資源，而且將資源最大化后再與模塊層次化相結合，就能夠將數據量控制住，提升數據的處理速度，讓演示更加的流暢。

3.3 紋理處理

紋理處理是對紋理的命名、格式、大小、貼圖方式的處理。首先，紋理的命名，對于一些仿真場景較大的模型來說，所用到的紋理也是一個大數目，因此為了保證不重名或是混亂情況的發(fā)生，就需要加上一個與模型模塊箱配合的前綴，然后再加上相應的名字就能夠清楚的區(qū)分其所屬模塊與所屬位置；其次，紋理的格式，一般是根據操作系統的兼容情況以及分辨率來選定用什么格式的紋理圖片，同樣，紋理的大小也由操作系統以及實際情況來決定，但是一般其長寬方向的像素必須是偶數倍；其三，紋理的貼圖方式有很多，應該遵從其預期的表達效果來選用，而對于一些特殊紋理比如透明紋理的處理來說，一般是選用RGB格式，大小為標準大小。

4. 總結

總之，可視化技術作為一種動態(tài)技術，讓數字城市成為現實，讓城市的規(guī)劃、管理、建設更加的先進、方便，讓理論與實踐完美地融合在一起。

參考文獻：

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[2] 吳慧欣，解丹蕊，薛惠鋒.三維GIS模型的分層表示及可視化技術研究[J].計算機應用研究，2006，23