張榮

(廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060)

1 引言

2010年第16屆亞洲運動會在廣州隆重舉行，為了“服務亞運展示廣州”，廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院為亞運會量身訂制、精心打造一個信息豐富、直觀生動的城市三維景觀地圖(2.5維)平臺，為來自不同地區(qū)的涉亞人員提供廣州市中心城區(qū)逼真的亞運建設、街區(qū)景觀、賽事安排、道路交通等地理信息服務，對于生動反映廣州亞運建設的成果，宣傳廣州的城市品牌有著積極重要的意義。

2 數(shù)據內容及模型標準

2.1 數(shù)據范圍及內容

廣州市城市三維景觀地圖的制圖區(qū)域為廣州環(huán)城高速公路以內243.04 km2的中心城區(qū)，包括越秀區(qū)全范圍，荔灣、海珠、天河核心地區(qū)，珠江新城、新城市中軸線南段、白鵝潭、員村－琶洲規(guī)劃重點區(qū)。數(shù)據范圍如圖1所示。

圖1 城市三維景觀地圖數(shù)據范圍

三維景觀地圖數(shù)據分為四個部分:標志建筑高精模型、城區(qū)精細模型、城市主干道的中英文注記、亞運專題數(shù)據。

(1)標志性建筑模型

采用非接觸式高速激光測量方式，獲得建筑全方位坐標信息，形成點云數(shù)據三維模型。點云數(shù)據經過計算機處理后擬合為三角面網。運用逆向工程原理重構出建筑的CAD最簡化模型，模型精度達到毫米級。

(2)城區(qū)精細模型

反映城區(qū)的景觀特點，包括三級建筑精細模型、地面精細模型、城市設施模型。城區(qū)內指定了重點區(qū)和非重點區(qū)，地面模型和城市設施模型按不同兩個層次要求建設。

(3)城市主干道的中英文注記

為了增加景觀地圖的可讀性，又不至于破壞景觀地圖的直觀性美觀性，并且方便來自不同國度的涉亞人員瀏覽三維景觀地圖，因此在三維場景中疊加城市主干道的中英文注記。

(4)亞運專題數(shù)據

亞運專題數(shù)據包括亞運場館和亞運服務(包括涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等)兩部分，以空間圖形(面狀的建筑物外框多邊形)和屬性一體化的形式存儲在數(shù)據庫中，如亞運場館包括名稱、地址、場館介紹、賽事安排等信息。

在三維景觀地圖中，為了能夠讓亞運專題地物帶有屬性信息，需要為每個亞運專題所對應的建筑物添加矢量數(shù)據——在三維景觀地圖基礎上，勾畫出具有圖像坐標的建筑物外框多邊形。

2.2 三維模型數(shù)據精度要求

從實際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，城區(qū)建筑模型采用分等級建設的思路。把城區(qū)分為重點區(qū)與非重點區(qū)，不同區(qū)域的建筑以及地面模型精度不同，設施詳細程度不同。根據建筑的重要程度分三個等級，按不同精度建模。

(1)不同區(qū)域的建模深度

為了迎接16屆亞運會廣州的城市建設主要是圍繞亞運建設項目進行的，因此把天河體育中心、珠江新城中心、亞運村、奧體新城、大學城、白云新城等這些涉亞區(qū)域劃定為重點區(qū)域。重點區(qū)域內的涉亞體育場館、涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等重要配套設施建筑劃定為重點建筑。如表1所示。

重點區(qū)域與非重點區(qū)域的建模深度表 表1

重點區(qū)域按照“重點區(qū)域建模深度”制作地面模型和配置設施模型，重點區(qū)域建筑若符合重點工程條件的以1級精度建立現(xiàn)狀建筑模型，其他建筑以2級精度建立現(xiàn)狀建筑模型。非重點區(qū)域需按“非重點區(qū)域建模深度”制作地面模型和配置設施模型，非重點區(qū)域建筑若符合重點工程條件的以1級精度建立現(xiàn)狀建筑模型，其他建筑以3級精度建立現(xiàn)狀建筑模型。

(2)不同模型的建模要求

①三級建筑精細模型

紋理表現(xiàn)重點城區(qū)所有建筑。廣州建成區(qū)內建筑數(shù)量極多，不宜所有的建筑均采用高精度制作。因此，從實際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，分3個等級建筑精細模型。1級精度建筑模型建筑體形與真實建筑基本吻合，大于2 m的體量迭級、凹凸變化、屋頂形式、入口形式等在模型中得以體現(xiàn)。2級精度建筑模型建筑體形與真實建筑基本吻合，可去除小于3 m的結構細節(jié)。3級精度建筑模型省去模型細節(jié)部分，采用四面體(5個面)建模，表面紋理采用反映街區(qū)特征和建筑性質的通用貼圖。

②地面精細模型

以道路、人行道、地塊組織幾何體，貼通用紋理建立。重點路段需要烘培光影貼圖固化到模型上。道路包括主道紋理、車道導向線、道牙、綠地、人行道，斑馬線、中央綠化帶。地塊則包括鋪裝、綠化、交通出入口。水系包括珠江和市域大小河涌的水面、堤岸、堤岸綠地。

③城市設施模型

過江橋、高架路、高架橋、立交、主干道上人行天橋:包括橋的主體結構(橋面、防護欄、匝道、橋墩)及其附屬的綠化、路燈和廣告牌，橋的主體結構有光影表現(xiàn)。

綠化植被:建立植被實體模型的綠化景觀主要是中心城區(qū)內的大中型公園、廣場綠地;核心風景區(qū);珠江風景游覽河段的濱江綠化帶和林蔭大道;快速路、主干道、次干道的行道樹。行道樹盡可能采用與現(xiàn)實相符合的樹種，樹形應當有變化，其中有高大樹木，盡量按現(xiàn)狀表現(xiàn)。

其他設施:包括交通設施如公交站、地鐵出入口等;市政設施如路燈等;公安設施如各種標識牌。

(3)建筑模型的3級精度

①1級精度

采用精細建模，能反映建筑細部，如:屋頂結構，建筑轉折面(轉折大于2 m)，建筑與地面交界的鋪地、臺階、柱子、出入口等，能反映建筑附屬元素，模型紋理采用真實的拍攝影像。如圖2所示。

圖2 1級精度模型

②2級精度

不改變原建筑的幾何形狀，可刪除模型和地面相交長寬小于 3 m的模型，減少模型附屬元素，(如:花壇、基座、柱子段數(shù)等)，模型紋理采用真實拍攝的影像。如圖3所示。

圖3 2級精度模型

③3級精度

省去模型細節(jié)部分，采用四面體(5個面)建模;當模型有弧度或有明顯轉折變化時，用較少的多邊形表現(xiàn);紋理采用街區(qū)的通用紋理，不需一一采集。建筑密度很大的區(qū)域(例如:城中村)，對于建筑緊靠建筑的一片低矮平房，可以整片處理，簡化不可見的面片。如圖4所示。

圖4 3級精度模型

2.3 場景效果要求

(1)模型精度

從實際工作的需求和城市發(fā)展的角度出發(fā)，采用分等級建設的思路建立重點城區(qū)模型。為了充分反映重點城區(qū)的城市特征和重點工程的建筑形態(tài)，1級精度仿真模型中的建筑體形與真實建筑或規(guī)劃建筑基本吻合。

(2)材質貼圖

建筑的細部如門窗、幕墻、裝飾構件、廣告牌等采用貼圖的手段表達。模型的色彩必須與真實建筑一致，住宅、辦公樓、公共建筑以及城市廣場的材質特點在貼圖中反映出來。但模型的總體色彩灰度應控制在一定范圍以達到整體協(xié)調。

(3)環(huán)境氛圍

在場景中設置加強模型真實感的物體，如車輛、路燈、樹木、雕塑、指示牌、廣告、電話亭、公車站、地鐵出入口等。

(4)光影效果

將建筑、樹木的陰影以貼圖的方式固化到模型中，以加強模型的立體感和真實感。主光方向統(tǒng)一為東南向，即東南面是受光面，西北面是背光面。

3 城市三維景觀地圖的制作流程

城市三維景觀地圖的制作方法首先是采用交互式CAD工程建模的技術方法，使用工程建模軟件3dMax和仿真建模軟件Creator相結合的方式進行三維建模，然后采用分塊渲染、整體拼接的方法制作大場景三維圖，疊加上主干道的中英文注記，最后制作亞運專題數(shù)據，其詳細流程如圖5所示。

圖5 三維景觀地圖制作流程圖

3.1 數(shù)據源獲取

CAD交互式工程建模需要建筑物高度數(shù)據、建筑物幾何要素數(shù)據、建筑物及地面紋理數(shù)據等，獲取方法、工具軟件如表2所示。

數(shù)據源的獲取方法 表2

3.2 地物CAD建模

(1)多邊形建模

地物CAD模型是表面薄殼模型，由規(guī)則的或不規(guī)則的三角面或多邊形面組成，采用多邊形建模技術來完成模型的建立。在數(shù)據結構上采用組、體、面的組織結構形式，其基本單位為面，同一建筑物或具有相同特征的建筑物的一部分組成一個體，若干體組合成一個組，以便模型的編輯與修改以及對模型屬性的控制。

(2)材質應用

材質屬性決定了物體表面如何反射光線，包括放射屬性和反射屬性。前者決定了材質本身發(fā)光程度，后者決定了材質對光源的反射程度，即物體的顏色。材質是顏色、光澤度、透明度等屬性的集合。

(3)紋理映射

紋理是表示物體表面材質、色彩、透明度、光影特性的圖片。紋理采用實拍照片經Photoshop處理平正、祛除雜質、調整色差獲取。物體的鏤空情況通過透明貼圖技術，利用圖像的α信道建立。光影效果，通過烘培獲取。

3.3 場景渲染與拼接

在上述步驟所建立的模型數(shù)據基礎上，分塊進行場景渲染，最后把渲染后的分塊三維圖拼接成一個城區(qū)的大場景三維圖。

(1)區(qū)域分塊

由于計算機硬件配置以及軟件限制等原因，無法把制圖區(qū)域中的所有三維模型放入同一場景中進行渲染，需要進行區(qū)域分塊處理。

(2)模型整合

把同一分塊區(qū)域內的建筑模型、地面模型、道路模型、園林綠化模型等數(shù)據整合到場景文件中，以便接下來的分塊渲染。

(3)三維場景分塊渲染

利用3ds Max軟件，利用相同的渲染參數(shù)，對經過模型整合后的分塊場景分別進行渲染。

(4)場景拼接

對于渲染后的分塊三維圖，利用Photoshop軟件，把制圖區(qū)域內的所有分塊場景拼接成一張總的三維圖。場景拼接時遵循以下的原則:

①拼接時按通道來選擇圖像;

②以道路網為拼接參考基準。

(5)場景參數(shù)調整

對分塊三維圖進行亮度、對比度、透明度等參數(shù)的調整，使得場景中所有的塊都能保持同一渲染效果，并滿足出圖的要求。如圖6所示。

圖6 場景參數(shù)調整效果圖

(6)注記與三維模型疊加

利用平面軟件，把主要道路網的中英文注記疊加到三維場景中，并依據制圖的要求對各種注記進行編輯整理。如圖7所示。

圖7 注記疊加后效果圖

3.4 亞運專題數(shù)據的制作

以三維景觀地圖作為背景，對于亞運專題所對應的建筑物勾畫出該建筑的外框多邊形，并把亞運相關的屬性信息賦值給該多邊形。在勾畫過程中，注意避免把該建筑被其他建筑所遮擋的地方勾畫進來。

4 網站主要功能

網站采用Visual Studio 2008開發(fā)語言，發(fā)布利用SuperMap IS.NET6.0平臺，功能主要包括三維景觀地圖瀏覽、二三維聯(lián)動切換顯示、亞運專題的三維地圖查詢服務等。

4.1 三維景觀地圖的瀏覽功能

系統(tǒng)通過連接空間數(shù)據庫，在地圖縮放時可在不同比例尺范圍內分級顯示城市三維景觀地圖、亞運場館、亞運服務以及相關注記等數(shù)據，幫助用戶更精確直觀地了解以及亞運場館的分布情況以及亞運服務相關信息。如圖8所示。

圖8 三維景觀地圖的瀏覽

4.2 二三維聯(lián)動切換顯示

三維景觀數(shù)據的特點是直觀，而二維數(shù)據的優(yōu)勢是傳統(tǒng)——公眾已經習慣使用二維影像或地圖。經由圖像軟件處理后的三維景觀地圖，本質上仍然是采用圖像坐標的，要實現(xiàn)二維地圖與三維景觀的聯(lián)動必然會涉及圖像坐標與地理坐標的相互轉換。坐標轉換可采用二次仿射變換方程，式(1)為從地理坐標到圖像坐標的轉換關系，式(2)為從圖像坐標到地理坐標的轉換關系。

其中，w，h為圖像坐標，x，y為地理坐標。

網站提供兩種不同類型地圖的切換功能:二維電子地圖和三維景觀地圖，如單擊二維電子地圖按鈕，可以從二維地圖切換到三維景觀地圖并自動定位到相同的位置，反之亦然。在二三維聯(lián)動切換過程中，為了保持視覺上一致性，二三維地圖的顯示比例尺需保持一致。如圖9所示。

圖9 二三維切換顯示

4.3 亞運專題的三維地圖查詢服務

亞運專題的三維地圖查詢、瀏覽、定位服務等功能是整個網站的核心，網站首頁以列表的形式向用戶展示了所有的亞運專題(包括亞運場館、涉亞酒店、涉亞醫(yī)院等)，比如選取任一場館，網站將在地圖窗口中居中顯示該場館，同時提供場館介紹、平面位置、賽事安排等與亞運有關的服務。

另外，網站提供亞運專題的三維快速精確查詢和檢索功能，包括圖查屬性和屬性查圖的雙向查詢功能，可以從空間圖形查詢屬性信息，也可根據一定的屬性條件查詢空間圖形，即實現(xiàn)圖形數(shù)據和屬性數(shù)據的交互查詢，并且可以做一些簡單的分析，查詢方式方便快捷，表現(xiàn)形式生動多樣、簡單直觀。如圖10所示。

圖10 亞運專題的三維地圖查詢

5 結語

為了迎接廣州亞運，開發(fā)并建設了廣州市城市三維景觀地圖網站，通過對網站的數(shù)據建設、功能開發(fā)等技術方案進行闡述，得出如下主要結論:

(1)通過城市三維景觀地圖的編制，成功摸索出一套采用GIS、三維建模、虛擬仿真等新技術進行三維景觀地圖制圖的工藝和方法。

(2)經過三維建模軟件渲染并用于網絡上發(fā)布的三維景觀地圖數(shù)據，已沒有地理坐標的概念，為了能實現(xiàn)在三維景觀地圖上的建筑物查詢功能，需事先制作圖像坐標的建筑物外框多邊形，并把相關的屬性信息賦值到該多邊形中。

(3)三維(2.5維)地圖在從網絡二維地圖到網絡真三維的發(fā)展歷程中起到了承上啟下的作用。

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