周靖斐，章皖秋，林紫峰，齊 超，周汝良

(1.西南林業(yè)大學(xué)云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，云南昆明 650224)

GIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；ㄖ锏娜S建模方法

周靖斐1，章皖秋2，林紫峰2，齊 超2，周汝良1

(1.西南林業(yè)大學(xué)云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，云南昆明 650224)

分析、總結(jié)了GIS技術(shù)與三維建模技術(shù)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種高效的基于地理信息系統(tǒng)開展建筑物三維建模的技術(shù)方法。即采用草圖大師三維建模模塊實(shí)現(xiàn)建筑物3D建模，并利用其與ArcGIS軟件的接口，將其植入ArcGIS系統(tǒng)中，構(gòu)建規(guī)?；某鞘薪ㄖ娜S數(shù)字化應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)3D瀏覽和應(yīng)用；同時(shí)重點(diǎn)探討了建立應(yīng)用模塊的三維模型結(jié)構(gòu)化方法，3D文件的組織與管理以及三維數(shù)據(jù)高效緩存技術(shù)處理細(xì)節(jié)。

3D；ArcGIS；草圖大師；模型優(yōu)化；數(shù)據(jù)緩存

城市是人們現(xiàn)實(shí)生活中的重要活動空間。在信息時(shí)代，現(xiàn)代城市正在飛速發(fā)展,人們對城市的了解已不再停留在原有的數(shù)字圖表或二維平面上,更多的要求一個(gè)直觀的、現(xiàn)實(shí)的感受和了解[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展使得“數(shù)字地球”有了新的發(fā)展方向，通過三維技術(shù)的不斷發(fā)展來真實(shí)地描述現(xiàn)實(shí)世界，才能更好地提供專業(yè)地理服務(wù)，促進(jìn)GIS的發(fā)展。作為“數(shù)字地球”的一部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的三維化，提高校園地理信息的可視化程度，將更有效擴(kuò)展數(shù)字城市的功能，推動數(shù)字城市的建設(shè)[2]。在此背景下，本文將探討大規(guī)模城市建筑三維數(shù)字平臺的高效的三維場景可視化，三維數(shù)據(jù)文件高效存取等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及高效的三維數(shù)字平臺應(yīng)用前景。

1 建筑物建模與GIS應(yīng)用

1.1 建模平臺發(fā)展現(xiàn)狀及分析

規(guī)?；ㄖ锶S模型的建立要充分考慮數(shù)據(jù)量大小、模型的精細(xì)度、建模周期和模型數(shù)據(jù)通用性等各種因素[3]。

目前，國內(nèi)外多種主流三維建模平臺主要有：3DS MAX、草圖大師、MAYA、XSI等。本文簡單對比了這幾種常用三維建模軟件的性能，見表1。通過軟件功能、模型精細(xì)度、建模周期、模型大小、渲染效果、通用性、操作性、軟件功能強(qiáng)項(xiàng)等八方面的對比表明：草圖大師簡單易學(xué)、建模周期短，在模型數(shù)據(jù)量和細(xì)致程度上能夠達(dá)到一個(gè)非常好的平衡。

除了直觀反映真實(shí)世界的三維模型，還要借助三維GIS平臺處理、使用這些三維模型，并提供各類地理分析功能[4]。ESRIArcGIS提供了三維模塊ArcGlobe, ArcGlobe適合于全市、全省、全國甚至全球大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)展示，設(shè)計(jì)用于展示大數(shù)據(jù)量的場景，基于全球視野，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分級分塊顯示，為提高顯示效率。新版本ArcGIS已經(jīng)可以直接編輯三維要素，提供三維矢量分析和三維動態(tài)跟蹤等分析功能，為未來三維應(yīng)用提供很大的擴(kuò)展空間。

表1 各種建模平臺關(guān)鍵因素的具體比較

2 GIS系統(tǒng)中規(guī)?；鞘薪ㄖ募夹g(shù)路線

2.1 試驗(yàn)區(qū)及軟件平臺的選擇

本研究選取西南林業(yè)大學(xué)整個(gè)校園為試驗(yàn)研究區(qū)域，其特點(diǎn)在于：整個(gè)校園內(nèi)建筑數(shù)量多，外形設(shè)計(jì)獨(dú)特。軟件平臺選擇草圖大師（Sketchup）作為三維建模平臺;選擇ArcGlobe三維顯示與分析平臺。

2.2 試驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)收集

大規(guī)模城市建筑的三維數(shù)字平臺是以航空影像、數(shù)字高程模型和其他數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),其數(shù)據(jù)源是多方面的,主要包括以下幾個(gè)方面:

1)以校園1∶10000地形圖為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù),其他比例尺數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充；2)以校園的IKONOS 1m衛(wèi)星影像資料，作為還原真實(shí)地表的影像數(shù)據(jù)；3)以1∶1000的二維線矢量數(shù)據(jù)，作為個(gè)建立體三維建筑模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；4)以數(shù)碼攝像機(jī)獲取的各棟建筑物不同表面的紋理以及其他紋理圖像，作為三維建筑模型紋理數(shù)據(jù)；5)以草圖大師設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù),逼真地表示建筑物的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征。

2.3 三維模型建立原理與流程

從本質(zhì)而言,三維建模由幾何建模 (Geo-Metricalmodeling)與紋理貼圖(Texture-Mapping)兩部分組成。分為三維幾何模型的建立、紋理貼圖與模型優(yōu)化三個(gè)步驟[5]，具體見圖1。

圖1 三維模型建立流程圖

2.4 規(guī)?；鞘薪ㄖ傻紾IS系統(tǒng)的技術(shù)流程

將SketchUp模型應(yīng)用到ArcGIS中，方法有兩種：1)作為三維符號進(jìn)行符號顯示；ArcGIS支持*.skp格式三維模型作為三維符號，并不能對其進(jìn)行分析等操作；2)作為三維模型，則將SketchUp模型轉(zhuǎn)換為ArcGIS支持的三維數(shù)據(jù)格式-MultiPatch，實(shí)現(xiàn)ArcGIS-SketchUp快捷的交互式編輯，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步輔助實(shí)現(xiàn)分析應(yīng)用。

3 建立大規(guī)模城市建筑三維數(shù)字平臺的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維數(shù)字平臺系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6-7]

1)利用組件簡化重復(fù)形狀的構(gòu)建。對于場景中需要大量重復(fù)的建筑形狀，例如，大型建筑的玻璃窗、樓梯、門等，將其所有的面選中，右鍵創(chuàng)建組件，在下次使用時(shí)在組件庫中調(diào)用就可以。在整個(gè)建模過程中利用組件可以提高建模效率，避免做重復(fù)相同的工作，節(jié)省時(shí)間，而且能夠在一定程度上減少整體場景的數(shù)據(jù)量。

2)利用貼圖替代細(xì)小的面的構(gòu)建在真實(shí)世界中。建筑物中有許多特別細(xì)小的面，例如建筑物中的門、窗、樓梯等。在保證模型整體可視化效果的情況下，利用貼圖替代細(xì)小的面,可達(dá)到對細(xì)節(jié)的面的簡化。如圖3，4所示，門、窗和樓梯在真實(shí)世界中由多個(gè)不同的面組成，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在模型的材質(zhì)貼圖中，都只用高質(zhì)量的圖片紋理進(jìn)行貼圖，既簡化了面，又保證了三維模型的可視化效果。簡化面的操作減少了計(jì)算機(jī)處理三維模型的面的數(shù)量，節(jié)省了處理時(shí)間，提高內(nèi)存使用率，達(dá)到了模型的優(yōu)化。圖5為整體的校園場景。

圖2 城市建筑集成到GIS系統(tǒng)的技術(shù)流程圖

圖3 未簡化模型貼圖細(xì)小面的實(shí)例

圖4 簡化模型貼圖細(xì)小面的實(shí)例

圖5 加入3D建筑與3D街景符號的效果圖

3)擦除多余的、看不見的幾何體。在建模過程中，模型的內(nèi)部會有一些看不見的面和線。本研究只需要建筑模型外部形狀，因此要擦除內(nèi)部多余的幾何體，即只保留模型外觀的線和面。

4)材質(zhì)大小和質(zhì)量。校園三維全景的模型并不需要很大或者很高的分辨率來顯示所有細(xì)節(jié)。一般直接獲取的照片大小都很大，必須減少圖片文件大小，才能提高模型顯示的速度。在縮小圖片文件大小的同時(shí)，圖片的質(zhì)量也隨之下降，有些圖片信息甚至?xí)G失。因此縮小圖片時(shí)，要有一個(gè)控制衡量標(biāo)準(zhǔn)，就是縮小圖片質(zhì)量的同時(shí)，最大限度的保留圖片大量細(xì)節(jié)。如圖6所示林學(xué)樓建模中對材質(zhì)的質(zhì)量和大小進(jìn)行處理的效果對比。

圖6 建筑物表面的材質(zhì)處理

3.2 三維數(shù)字平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件的組織與管理

由于三維數(shù)據(jù)的龐大、復(fù)雜，為了更方便、簡單地管理三維數(shù)據(jù)，在建立三維數(shù)字平臺的數(shù)據(jù)是以MultiPatch形式存儲于File Geodatabase數(shù)據(jù)模型中。MultiPatch(多片數(shù)據(jù)),專門用來描述三維實(shí)體表面。多片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅能像3D符號一樣表達(dá)建筑物，還能進(jìn)行三維數(shù)據(jù)屬性管理、錄入，使得建筑三維數(shù)據(jù)的表達(dá)更加豐富，多樣化。

FileGeodatabase是以文件系統(tǒng)中的文件夾存儲。每個(gè)數(shù)據(jù)集以一個(gè)文件被存儲，可達(dá)到TB級。通過不同類型Geodatabase發(fā)現(xiàn)FileGeodatabase具有以下特點(diǎn)：

1)對于海量三維數(shù)據(jù)，F(xiàn)ile Geodatabase具備單機(jī)存儲和讀取數(shù)據(jù)性能優(yōu)于其他類型Geodatabase的特點(diǎn)，這對于三維數(shù)字平臺高效顯示、瀏覽、查詢至關(guān)重要。

2)File Geodatabase具備跨操作系統(tǒng)，處理強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集的能力，這對于三維數(shù)字平臺的數(shù)據(jù)集成以及空間分析提供強(qiáng)有有力的支持。

ArcCatalog作為ArcGIS管理地理數(shù)據(jù)的模塊，它可以像管理其他GIS數(shù)據(jù)一樣管理三維數(shù)據(jù)。ArcCatalog可以再在目錄樹中使用拖放、命令或快捷鍵復(fù)制、粘貼、移動和刪除三維數(shù)據(jù)；能夠方便使用Geography方式以平面方式預(yù)覽三維數(shù)據(jù)，或者用3D View方式以三維的方式進(jìn)行預(yù)覽。

3.3 規(guī)?；ㄖ臄?shù)據(jù)緩存技術(shù)

大規(guī)模建筑的三維場景通常使用數(shù)據(jù)都是海量的，三維數(shù)字平臺高效顯示、瀏覽依賴數(shù)據(jù)緩存技術(shù)用于提高顯示速度，當(dāng)加載圖層時(shí)，數(shù)據(jù)緩存技術(shù)可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和查找[8]。

通常使用緩存技術(shù)有兩種類型：內(nèi)存緩存和硬盤緩存。內(nèi)存緩存指根據(jù)具體需要，按數(shù)據(jù)類型分配調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)存的一部分。硬盤緩存實(shí)際上是將數(shù)據(jù)先分塊存儲于硬盤，用于后面的快速提取，當(dāng)再次瀏覽同一區(qū)域的數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)留有緩存，這時(shí)的顯示效率更高[9]。

大規(guī)模建筑的三維場景中的內(nèi)容主要為三維物體（3D Geometry）和材質(zhì) (Texture)。因此在加載大規(guī)模建筑的三維數(shù)據(jù)時(shí)，需要配置高級緩存，關(guān)鍵在于分配給三維物體（3D Geometry）和材質(zhì) (Texture)較大的內(nèi)存，對其他數(shù)據(jù)類型（點(diǎn)、線、文本、高程）分配較少一點(diǎn)的內(nèi)存。這樣，在一定的計(jì)算機(jī)硬件條件下，使緩存達(dá)到分配適當(dāng)，可顯著提高整個(gè)場景的顯示速度，分配原則是分配的內(nèi)存大小不超過使用過的計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存。

4 結(jié) 語

隨著數(shù)字地球，數(shù)字城市發(fā)展，三維數(shù)字平臺將會逐漸突破一些關(guān)鍵技術(shù)，獲得進(jìn)一步發(fā)展。就技術(shù)而言，三維建模，大數(shù)據(jù)量三維數(shù)據(jù)集成仍是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。就其應(yīng)用而言，現(xiàn)在三維數(shù)字平臺在許多方面應(yīng)用仍然只做一些簡單瀏覽、查詢，所以有人戲稱三維地理信息系統(tǒng)只是一個(gè)“花架子”，徒有其表。本文認(rèn)為三維地理信息系統(tǒng)需要重點(diǎn)以下兩個(gè)問題：

1)現(xiàn)在國內(nèi)三維地理信息系統(tǒng)空間分析功能運(yùn)用簡單。國外一些研究已經(jīng)將三維地理信息系統(tǒng)運(yùn)用到城市交通輔助決策，疾病蔓延擴(kuò)散，城市火災(zāi)蔓延模擬。如何將最貼合現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的三維地理信息系統(tǒng)如何有效完成現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用需求，將會是本研究下一步的研究方向。

2)在城市建設(shè)過程中，出于城市建筑安全性考慮，不可避免出現(xiàn)對微地形的改變，例如：將坡地變?yōu)槠降?，洼地填平等，這樣的改變每天都在發(fā)生，容易就造成DEM虛擬地形與現(xiàn)實(shí)世界中的地形不符，導(dǎo)致可能會導(dǎo)致部分樓基懸浮于空中情況。如果人為修改虛擬微地形使其與現(xiàn)實(shí)地形一致，是否可行，會不會帶來其他問題，有待于下一步研究的深入。因此，虛擬地形與城市建筑三維模型更好結(jié)合將下一步研究重點(diǎn)之一。

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Key Technologies of 3D Large-Scale Urban Architecture in GIS

by Zhou Jingfei

The paper presented the cost-effective methods of building 3D modeling based on geographic information system s through analyzing and concluding the characteristics of GIS technology and 3D modeling.That was using Google Sketch Up for building 3D modeling,and them odeling will be implanted in ArcGIS system by using ArcGIS software interface,to construct3D application modules of large-scale of the urban architecture,which can achieve 3D application and view;also focused on the structured approach of the establishment of 3D application modules,3D file organization and management,as well as the details of3D data efficiently hand le cache technology.

3D,Arc GIS,Sketch up,optimization model,data cache（Page:85）

P208

B

1672-4623(2011)01-0085-03

2010-11-12

項(xiàng)目來源：國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（200704044）。

book=90,ebook=149

周靖斐，碩士，研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)集成與開發(fā)。