廈門閩礦測繪院 鄭艷文

城市建筑物三維建模技術(shù)研究

廈門閩礦測繪院 鄭艷文

隨著地理信息系統(tǒng)、虛擬城市等領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，城市三維模型越來越廣泛地應(yīng)用于城市的數(shù)據(jù)處理與管理中。城市三維建模技術(shù)是利用三維建模軟件，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)所建立的各種實(shí)體（如建筑物、道路、樹木）及其一些輔助性設(shè)施（如變電站、消防栓）的模型，是在虛擬三維空間建立的與現(xiàn)實(shí)地物、地貌相同的三維模型。本文，筆者主要隊(duì)城市建筑物的三維建模技術(shù)進(jìn)行了探討。

一、城市建筑物三維建模研究現(xiàn)狀

建筑物建模是城市模型中最關(guān)鍵的因素，它的建模對(duì)于城市三維模型可視化具有重要的意義。建筑物建模有幾何形狀建模和紋理映射建模2種方式，建筑物的三維幾何形體的表達(dá)是三維數(shù)字城市建模研究的重要內(nèi)容。目前，三維建模從技術(shù)上講，主要有如下3三種實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1.在外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用三維模型制作軟件。如利用3D-MAX等軟件進(jìn)行建模。這種方法能夠逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，也被稱為精細(xì)建模。

2.直接利用傳統(tǒng)GIS的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的高度屬性進(jìn)行三維建模，在各建筑物表面還可以加上相應(yīng)的紋理。這種方法僅局限于形狀較規(guī)則建筑物的三維建模，其所建模型對(duì)城市的精細(xì)節(jié)點(diǎn)表達(dá)力度不夠，視覺效果不是很好。

3.利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模。目前來說，這種方法成本相對(duì)較高。

從整體上講，上述三維模型的構(gòu)建方法因可視效果差或自動(dòng)化程度低，已成為制約地理信息發(fā)展和數(shù)字城市建設(shè)的瓶頸。

二、建立城市建筑物三維模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和技術(shù)路線

1. 數(shù)據(jù)源。

（1）實(shí)測1∶500 大樣圖（DWG格式）。

（2）建筑物近景數(shù)碼照片。

2. 軟件配置。應(yīng)用的軟件有4套，

（1）AutoCAD。用于建筑物輪廓提取及數(shù)據(jù)源處理。

（2）PhotoShop。用于紋理圖像加工與處理。

（3）3DSMAX。用于建筑的三維建模。

（4）Skyline。用于成果的展示及應(yīng)用。Skyline 系列軟件是非常優(yōu)秀的三維地理信息系統(tǒng)軟件，它是由三個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，即TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGate，通過這三個(gè)子系統(tǒng)可以把不同的地理數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，并且可以把它們快速地分發(fā)給各個(gè)用戶。

3. 精細(xì)建模技術(shù)路線。精細(xì)建模技術(shù)路線主要涉及7個(gè)關(guān)鍵的步驟：外業(yè)取景拍攝獲取紋理→PhotoShop處理紋理→以AutoCAD矢量底圖為主，結(jié)合外業(yè)拍攝相片獲得精確完整的建筑模型結(jié)構(gòu)→3DSMAX建模→模型的優(yōu)化壓縮→生成單幢.max模型→數(shù)據(jù)集成等。

三、城市建筑物三維模型建立步驟

1. 建筑物的建模。在AutoCAD中對(duì)地形圖進(jìn)行處理，對(duì)不需要的線進(jìn)行刪減，減少數(shù)據(jù)量，剩下主要并清晰的建筑物輪廓，對(duì)沒有閉合的建筑物輪廓線進(jìn)行閉合處理，從而得到包括建筑物的平面輪廓數(shù)據(jù)。

2. 紋理的編輯。用圖像來替代實(shí)體模型中的可模擬或不可模擬的細(xì)節(jié)，提高模擬逼真度和顯示速度。建筑物紋理是建筑物三維模型的重要組成部分，它的質(zhì)量決定了場景的整體效果與紋理細(xì)節(jié)，并最終決定場景的逼真程度。建筑物的紋理包括側(cè)面和頂面兩部分，拍攝大量的建筑近景數(shù)碼照片，綜合利用Photoshop中的裁剪、拼接、自由變換和拉伸等基本操作對(duì)近景照片進(jìn)行處理，提取建筑物紋理。處理后的照片保存為JPG格式以減少數(shù)據(jù)量，同時(shí)圖像的分辨率應(yīng)調(diào)整為2的冪次方，使圖像的大小盡量小于100 kB。

3. 模型的建立。在3D-MAX中對(duì)這些建筑進(jìn)行單獨(dú)建模，賦以精細(xì)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。將建好的模型轉(zhuǎn)為*.x或是*.f t格式，這是Skyline支持的兩種3D文件格式，這兩種格式的模型文件都比較小，利于圖像的加載和顯示。

4. 三維模型的展示。在加載地形數(shù)據(jù)集，添加矢量數(shù)據(jù)和相應(yīng)的模型之后，即可在TerraExplorer Pro中進(jìn)行城市三維模型的瀏覽漫游，也可以進(jìn)行二次開發(fā)，定制界面和相應(yīng)的功能。

城市建筑物三維模型建立步驟如圖1所示。

四、結(jié)論

目前，基礎(chǔ)測繪部門的地形數(shù)據(jù)格式大部分仍然是DWG 格式，采用這種格式來進(jìn)行城市建筑物三維模型的構(gòu)建能節(jié)省大量的人力和物力，既適合我國國情，又能滿足多種需要，值得推廣。