摘要：三維模型能夠真實.生動地表達三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點。建筑物的三維建模作為主要的建模內(nèi)容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點。本文探討了數(shù)字城市中三維建模的主要內(nèi)容和相關建模方式，并以實例的方式實現(xiàn)了三維建筑物建模，結果表明誼思路能滿足實際用。

關鍵詞:數(shù)字城市 三維建模

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0037-02

1引言

“數(shù)字城市”的概念來源于“數(shù)字地球”，它是“數(shù)字地球”的理念在城市的引用、延伸和拓展。由于在理解層面和切入角度上的差異，目前仍很難對“數(shù)字城市”內(nèi)涵作確切的定義。但隨著對“數(shù)字城市”理論與技術的研究及應用探索的不斷深入，人們對它的認識將會逐漸趨向統(tǒng)一，并形成對它的標準定義。

三維模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，成為數(shù)字城市的研究重點。建筑物的三維建模作為主要的建模內(nèi)容有著重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三維模型成為建模的研究重點。

三維地理信息系統(tǒng)的建立，可以和現(xiàn)有的二維地籍數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等結合，分別形成三維地籍系統(tǒng)、三維規(guī)劃系統(tǒng)、三維土地利用系統(tǒng)等。這些三維系統(tǒng)具有快速的三維漫游、查詢、定位、統(tǒng)計、分析、打印輸出等功能，將更好地為“數(shù)字國土”服務。三維模型的快速建立與更新，對維護三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、直觀性、更好地為國土資源利用提供更好的決策，具有十分重要的作用和意義。

2三維建模技術現(xiàn)狀

三維城市模型(3DCityModel，3DCM)是地理信息系統(tǒng)、數(shù)字攝影測量及其相關學科的研究熱點之一。盡管3DCM的研究歷史非常短暫，但人們針對不同的應用目的，構建了各種具有不同功能的3DCM，具體分為以下幾類。

2.1遙感影像與DEM結合方式

即直接利用DEM生成地形三維透視圖，遙感影像作為紋理映射到地形表面。這種方式只是一種地形景觀，無法對地表實體對象進行三維顯示、空間信息查詢和分層管理。大多數(shù)成熟的商品化GIS系統(tǒng)(如ArcView、MapGuide)己經(jīng)具有這種2.5維的地形顯示功能。

2.2基于2DGIS的構建方式

即利用現(xiàn)有2DGIS數(shù)據(jù)及其三維屬性信息建立3DCM。該方式包括以下具有代表性的構建方法：(1)在二維GIS的基礎上，直接添加一些信息(如房屋高度、墻面紋理等)，使用假定高度和模擬紋理來構建建筑物對象。這種方法的缺點在于模型真實感差，對城市景觀信息的表達少，另外沒有考慮DEM。(2)DEM和二維GIS結合的方式，這種方式用DEM作為建筑物的承載體，表達地表的起伏，然后使用假定高度和模擬紋理來構建建筑物對象，比上一種方式更具真實感。(3)部分2DGIS系統(tǒng)(Arc/Info)發(fā)展了構建3DCM的功能模塊，具有初步的量測功能，但缺乏對建筑物紋理的提取與處理，景觀表達的真實感程度不夠。

2.3純?nèi)S的構建方式

針對數(shù)據(jù)獲取方式的差異，純?nèi)S構建3DCM方式分以下不同方法：(1)利用地面攝影影像與地面激光掃描儀來構建，這種方法每次采集數(shù)據(jù)范圍受通視條件所限，在建筑群密集地區(qū)難以應用，(2)利用衛(wèi)星影像與機載激光掃描儀來構建，該方法采集數(shù)據(jù)快，但獲取的DEM精度不高，(3)航空立體像對的方法，利用目標提取技術，實現(xiàn)航空影像房屋三維數(shù)據(jù)的半自動量測，進而在地面與建筑物表面二維半不規(guī)則三角網(wǎng)和原始數(shù)字影像的基礎上，實現(xiàn)建筑物可見表面紋理恢復，重建城市三維景觀。

3數(shù)字城市三維建模的關鍵內(nèi)容

目前建筑物三維建模的一般流程如圖1所示。三維空間數(shù)據(jù)的獲取，實質是空間定位數(shù)據(jù)的采集。三維模型的建立與編輯，三維幾何模型是紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的載體，也是數(shù)碼城市GIS提供各種定量空間解析分析能力的基礎。建筑物表面紋理數(shù)據(jù)主要用于提供逼真的視覺標識，增強對建筑物本身及其相互之間空間關系的感知和識別。可視化技術的運用，用于增強用戶與數(shù)據(jù)模型之間的交互操作性能，尤其是與虛擬現(xiàn)實技術的結合，使得用戶沉浸于三維的場景中與模型數(shù)據(jù)直接進行交互操作。

3.1三維建模數(shù)據(jù)的獲取

三維建模的首要任務就是要收集建模的數(shù)據(jù)。在城市中存在著眾多的數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)源包括：(1)規(guī)劃建筑物的設計圖紙及文檔資料。(2)城市數(shù)字地圖(地形圖、地籍圖等)和2DGIS數(shù)據(jù)庫。(3)攝影測量數(shù)據(jù)。數(shù)字攝影測量不僅可以提供豐富的幾何和紋理數(shù)據(jù)，而且還可以提供豐富的拓撲和語義信息。(4)遙感數(shù)據(jù)。高分辨率遙感影像可以為城市3D城市模型的建立提供詳細、豐富的幾何和語義信息數(shù)據(jù)，是生成正射影像數(shù)據(jù)和DTM的重要數(shù)據(jù)源。合成孔徑雷達(sAR)是一種全天時、全天候的微波成像雷達，不僅可以詳細準確地觀測地形地貌，獲取地球表面的信息，還可以透過地表收集地表下面的信息。(5)混合測量系統(tǒng)?；旌蠝y量系統(tǒng)中一個典型就是ccD相機和全站儀組合系統(tǒng)。此系統(tǒng)可用于建筑物立面的掃描及建筑場地的地形表示。此系統(tǒng)適合于建筑物外部和內(nèi)部數(shù)據(jù)的幾何和紋理數(shù)據(jù)的獲取，解決了3D城市模型中內(nèi)部數(shù)據(jù)獲取困難的問題。

就當前的應用需求來說，場景三維建模需要的數(shù)據(jù)主要有：二維圖形、地形數(shù)據(jù)、地表圖像、三維觀測數(shù)據(jù)和模型表面紋理等。

3.2建模方式

目前在數(shù)字城市的三維建模中有很多種建立模型的方式?，F(xiàn)介紹如下：

(1)使用CAD軟件建模。AutoCAD軟件具有強大的二維圖形繪制功能及編輯功能，是當今二維圖形繪制軟件的主流工具，這是它的優(yōu)點。但是它在三維圖形建模、渲染處理及動畫制作方面功能較弱，不適合于復雜三維模型的建造和動畫的制作。AutoCAD模型表達精細、精確，有精確尺寸定義，但數(shù)據(jù)結構復雜、數(shù)據(jù)量大，不支持與地形的疊加，不支持屬性定義，主要用于工業(yè)零部件建模和單獨的橋梁等建筑物建模。(2)常用動畫軟件建模。如3D MAX等，模型表達精細，建模工具豐富，但是數(shù)據(jù)結構復雜，數(shù)據(jù)量大，不支持與地形疊加，且不能交互編輯查詢，僅限于動畫瀏覽。(3)專業(yè)軟件建模。如MutiGen Creator軟件功能強大，支持大面積地形建模，支持建筑物建模。模型數(shù)據(jù)結構簡浩，可以在運行過程中進行交互操作，實時計算動畫場景，通過開發(fā)，可以與影像、矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等疊加。但表達不精細，數(shù)據(jù)交互編輯、查詢能力較弱。(4)OpenGL開發(fā)。使用OpenGL+VC模式，通過編程的方式建立模型。此方式能大量使用數(shù)學曲線、曲面表達三維模型、自定義數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)顯示算法等。一般用于開發(fā)三維基礎軟件。

目前，在實際應用技術中，較為普遍和實際的模型制作是利用3DMAX制作或者是利用MultiGen Creator制作。

3.3模型的發(fā)布與應用

采用提供了二次開發(fā)功能的數(shù)字城市開發(fā)平臺，使用asp.net技術，開發(fā)了一套能夠實現(xiàn)對矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM、三維模型等多源數(shù)據(jù)集中管理的三維地理信息發(fā)布系統(tǒng)，從而實現(xiàn)三維場景的顯示、漫游、定位、查詢等功能，為決策部門提供輔助決策。

4應用

本次實驗以“SuperMap”中的三維建模為例。采用3Dmax軟件對建筑物進行三維建模，以及能夠訪問海量數(shù)據(jù)、具有強大二次開發(fā)功能的三維地理信息軟件SuperMapService GIS作為開發(fā)平臺開發(fā)演示系統(tǒng)。(如圖2所示)

“SuperMap”構建三維數(shù)字城市的方案如下：

(1)采用正射航空或衛(wèi)星影像和地表高程數(shù)據(jù)并利用1：500地形圖在3d MAX中建立數(shù)據(jù)集；(2)將數(shù)據(jù)集文件加載到3d MAX中，并用編輯工具利用數(shù)據(jù)集中各項數(shù)據(jù)建立三維建筑物模型及利用本地數(shù)據(jù)庫中及網(wǎng)絡中加載各類2D信息(如花草，樹木，人物等)；(3)保存工程文件或者打包輸出(KML格式)，使它能夠被分配到CD/DVD ROM或發(fā)布到網(wǎng)頁上。KML中包含工程中用到的所有的資源，因此它相對于源文件是獨立的。

5結論

文章對數(shù)字城市中的三維建模關鍵環(huán)節(jié)進行探討，總結了當前三維建模過程中的主要技術和方法，并以實例的方式實現(xiàn)了三維建筑物建模和發(fā)布，結果表明在數(shù)字城市建設中，主要把握數(shù)據(jù)獲取、三維建模和模型的發(fā)布與應用三個環(huán)節(jié)，即能較好完成數(shù)字城市工作，使其滿足實際應用。

參考文獻

[1]朱慶，林琿.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)一一虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學出版社，2004.

[2]胡鵬，黃杏元，花一新.地理信息系統(tǒng)教程[M].武漢：武漢大學出版社，2007.

[3]成遣，宋偉東，徐愛功等.基于MAGIS的城市三維可視化系統(tǒng)的建立[J].礦山測量，2005(3).

[4]陸麗芳.AutoCAD、3DS

MAX和Photoshop軟件問的數(shù)據(jù)轉換和數(shù)據(jù)共享[J].鐵路計算機應用，2007，16(11).

[5]顧朝林，段學軍，于濤方等.論“數(shù)字城市”及其三維再現(xiàn)關鍵技術….地理研究，2002，21(1).

[6]王杰，等.深度探討三維數(shù)字城市建模理論與實現(xiàn)思路[J].科技創(chuàng)新導報，2011.1.

[7]周游.“數(shù)字城市”三維仿真平臺建設的研究綜述[J].科技創(chuàng)新導報，2008，27：16.