曾 浩，范 巍，劉 惠，段志強(qiáng) ,肖 聰

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心，湖北 武漢430071；2.湖北省地圖院，湖北 武漢 430071）

三維建模是采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對城市建設(shè)中的各類房屋、公園、標(biāo)志性建筑物及交通設(shè)施等人工構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)字化展示[1]，并與地形、地貌等自然要素相互疊加，形成真實(shí)景觀模型場景的一種技術(shù)。三維建模的一般處理流程如圖1所示。本文從三維建?；炯夹g(shù)流程出發(fā)，根據(jù)自身生產(chǎn)實(shí)踐對其中關(guān)鍵的部分進(jìn)行了重新梳理，以期為三維建模最優(yōu)化方案提供一定的探討方向。

圖1 三維建?；玖鞒虉D

1 數(shù)據(jù)源分析

三維景觀數(shù)據(jù)是在“數(shù)字城市”地理空間框架建設(shè)中的影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和地名地址數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充各類政府、企業(yè)和公眾的興趣點(diǎn)信息所形成的[2]。構(gòu)建三維數(shù)據(jù)需要的資料眾多，首先是整個(gè)區(qū)域的房屋、橋梁、道路等所有三維實(shí)體的總體框架；其次是通過矢量、影像等地理空間框架數(shù)據(jù)采集對應(yīng)的平面及高程信息。這些數(shù)據(jù)源包括：

1）地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)包括城市地形地貌、地籍圖和大比例尺數(shù)據(jù)等；柵格數(shù)據(jù)包括航空、航天遙感影像數(shù)據(jù)，不僅可以提供豐富的表面信息，而且可以快速有效地采集到建筑物的頂面紋理信息。

2）三維觀測數(shù)據(jù)。紋理數(shù)據(jù)是“數(shù)字城市”建設(shè)中最重要的三維觀測數(shù)據(jù)之一。紋理的獲取一般是通過實(shí)地拍攝，采集地物的外立面、大區(qū)域的整體面貌和交通信息等。在實(shí)地拍攝過程中還必須有能準(zhǔn)確反映建筑之間相互關(guān)系的照片，同時(shí)注意日照時(shí)間和拍攝角度，確保后期模型制作的便利性與準(zhǔn)確性。

3）城市建設(shè)相關(guān)文檔及電子資料。凡是能夠反映城市建設(shè)中特定建設(shè)資料，如地標(biāo)建筑物內(nèi)外設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖、竣工圖等反映房屋信息的存檔文件，都應(yīng)盡可能地收集。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)編輯

“數(shù)字城市”三維建模中，1∶500、1∶1 000、1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)主要用于地物要素之間的空間比例參考和坐標(biāo)基礎(chǔ)定位，同時(shí)也是三維建模軟件的重要參考。因此，在應(yīng)用于建模前必須在相應(yīng)GIS軟件中選出所有重要的地物要素層，在保持原坐標(biāo)不變的情況下，導(dǎo)出、合并為一個(gè)要素層，以備三維建模使用。編輯過程需要注意：1）整理圖面，弄清各線要素間對應(yīng)關(guān)系。為方便數(shù)據(jù)分析，可將數(shù)據(jù)劃分為幾個(gè)區(qū)域并加以標(biāo)注。2） 對于房屋、花壇等面要素應(yīng)作封閉處理，以提高建模效率。3）將所有數(shù)據(jù)屬性中的標(biāo)高項(xiàng)統(tǒng)一改為零。

2.2 環(huán)境配置

二維數(shù)據(jù)在3DS Max環(huán)境中，既是建模的空間參考,也是數(shù)據(jù)仿真度的重要保證。因此，首先應(yīng)對軟件進(jìn)行一系列基本設(shè)置，如統(tǒng)一單位、比例尺等。將矢量數(shù)據(jù)作為底座導(dǎo)入程序，同時(shí)為方便后期建模，在頂視圖中將底座旋轉(zhuǎn)成水平，記錄下旋轉(zhuǎn)的角度值，模型創(chuàng)建完后還需按角度還原，如圖2所示。另外，當(dāng)部分建筑物底座形狀不規(guī)則時(shí)，應(yīng)按照節(jié)點(diǎn)、線段等要素進(jìn)行編輯處理，使其合理化。

圖2 頂視圖底座選擇圖

2.3 紋理編輯

紋理制作包括采集和編輯2個(gè)部分。紋理的采集是通過數(shù)碼相機(jī)對建筑物的外立面進(jìn)行多角度、多尺度的拍攝；拍攝到的照片需要經(jīng)過Photoshop、Paint等平面軟件的圖像編輯，主要包括糾正、還原處理和裁剪等工作，同時(shí)還應(yīng)盡可能消除對建筑物立面紋理的遮擋。紋理處理需要注意以下幾點(diǎn):

1）為了保證紋理的完整性和真實(shí)性，需要對亮度、色彩不佳的照片進(jìn)行調(diào)節(jié)；

2）紋理的像素大小要求是2的冪次方值；

3）對于無法采集到的紋理可使用紋理庫中的紋理，經(jīng)平面軟件處理或利用相似照片修改成所需紋理；

4）紋理統(tǒng)一保存為JPG壓縮格式；

5）紋理的命名通常采用英文字符+數(shù)字的方式，如ZM1、ZM2、…。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)要求

三維幾何模型由表面紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成。城市幾何模型從創(chuàng)建、發(fā)布到應(yīng)用，整個(gè)過程需做好以下規(guī)劃：①作業(yè)人員按區(qū)域分工處理；②模型與紋理數(shù)據(jù)的格式、命名方式需統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；③所有模型文件與紋理文件命名都必須具有唯一性。

3.2 建模技術(shù)

三維城市模型中房屋模型數(shù)量龐大，形態(tài)多樣。房屋建模方法的確定既要有效控制房屋模型的數(shù)據(jù)量，又要達(dá)到較好的視覺效果[3]。一般采用比較簡易的圖形來表現(xiàn)，盡可能減少用球體、圓柱體等多面體來表現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)，尤其不能使用Nurbs、Patch和布爾運(yùn)算等方式建模[4]。同理，建模過程中用到的二維數(shù)據(jù)也應(yīng)該采用Shape方式建模，既快速又便于修改，還有利于后期的簡化處理。例如，Box和Cylinder結(jié)構(gòu)可以用Shape中的Line、Rectangle和Circle先建立形狀大小，再Extrude高度即可，從而有選擇地去掉模型的頂面和底面。因?yàn)樵诜抡婺Ｐ偷尿?qū)動中許多結(jié)構(gòu)的底面和頂面是不會顯示，所以在保證仿真效果基本不變的基礎(chǔ)上，可以刪除許多不必要的面來降低資源消耗。單個(gè)模型一般不用多個(gè)Box三維型體實(shí)現(xiàn)，而采用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型體通過擠出、倒角等編輯手法完成。在模型貼圖時(shí)，以同面中切片方式多次貼圖為主,常用紋理盡量重復(fù)利用，如圖3所示。

圖3 普通建筑物貼圖效果

3.3 特殊地物的建模

攝影測量與遙感技術(shù)可以快速建立城市中大部分人工地物的三維模型，但對于一些構(gòu)造復(fù)雜、細(xì)節(jié)模糊無法建立模型的特殊地物，如植被、電線桿、路燈、雕塑、廣告牌等，則只能根據(jù)照片和調(diào)繪資料建模。對于這類表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的要素，模型精度不用太高，一般采用材質(zhì)或帶有Alpha通道的貼圖實(shí)現(xiàn)。對于三維場景中必須表達(dá)的地貌特征，如道路、山體等，采用數(shù)字正射影像可以得到其真實(shí)紋理?！皵?shù)字城市”中三維景觀模型，除了要求真實(shí)性外還要注重美觀性。

4 后期處理

模型后期處理總體流程如圖4所示。

圖4 后期處理總體流程圖

4.1 展UV

展UV即展開UVW修改器，是將平面貼圖指定到子對象選擇并編輯所選擇的UVW坐標(biāo)，將貼圖展平后作用于模型紋理。展UV前必須先將單個(gè)模型附加為一個(gè)組合模型，然后逐個(gè)對這些組合體進(jìn)行展UV處理。實(shí)際操作時(shí)通常將3～5個(gè)普通建筑物作為1組，具有地標(biāo)性的精細(xì)模型單獨(dú)為1組，數(shù)量以1～2個(gè)最佳，需根據(jù)每組模型的貼圖量來具體分析。

4.2 區(qū)域模型整合

將區(qū)域內(nèi)（約0.1 km2）多個(gè)3D Max模型合并，為燈光處理作準(zhǔn)備。如果出現(xiàn)紋理錯(cuò)亂、丟失等情況，還需檢查紋理命名是否重復(fù)以及是否為自動重命名方式導(dǎo)入合并。

4.3 光影效果處理

整個(gè)城市的光影效果必須一致，因此燈光的角度和亮度以及燈的擺放位置也必須統(tǒng)一。對整合后的大塊區(qū)域模型作燈光處理，包括天燈、散光燈和日燈，一般采用帶陰影效果的聚光燈或平行光模擬太陽光。對個(gè)別較暗的建筑，要為其單獨(dú)設(shè)立光源來保證紋理的質(zhì)量和效果，如圖5所示。

圖5 統(tǒng)一的光影效果圖

4.4 烘焙輸出

貼圖烘焙技術(shù)是把模型表面的光影信息渲染成貼圖，在動態(tài)渲染時(shí)避開了光照計(jì)算，減少運(yùn)算時(shí)間，提高了運(yùn)行效率[5]。對光照和陰影效果進(jìn)行烘焙處理，打造偽燈光效果，使低面數(shù)建筑也能達(dá)到精細(xì)模型的細(xì)膩效果。

4.5 成果導(dǎo)出

模型成果導(dǎo)出格式視后期展現(xiàn)平臺要求而定，常用的格式有3DS、OBJ等。在“數(shù)字城市”三維仿真中，有時(shí)也采用第三方優(yōu)化插件輸出3DM格式作為展現(xiàn)平臺的導(dǎo)入格式。

5 三維模型數(shù)據(jù)庫

三維模型數(shù)據(jù)制作完成以后，應(yīng)建立三維模型數(shù)據(jù)庫推薦采用文件方式存儲原始三維模型，并可以用相關(guān)的建模軟件打開和編輯。具體過程可參考國家測繪地理信息局的有關(guān)規(guī)范。

6 結(jié) 語

本文采用3DS Max建模平臺，綜合運(yùn)用多項(xiàng)技術(shù)建立的三維數(shù)據(jù)，已在“數(shù)字城市”建設(shè)中取得了明顯的效果，并有可能推廣到更大面積的“數(shù)字城市”三維景觀模型建設(shè)中。由于“數(shù)字城市”從誕生到現(xiàn)在不到10 a的時(shí)間，城市數(shù)字化應(yīng)用和數(shù)字城市之間無論在廣度還是深度上都存在著一定的磨合期。隨著數(shù)字城市的推廣，我們的技術(shù)手段也將會更加成熟、更加先進(jìn)并更具實(shí)用性。

[1]楊建思，杜志強(qiáng)，彭正洪,等.數(shù)字城市三維景觀模型的建模技術(shù)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2003(3) :37-40

[2]文雪中，潘建平，付飛飛.三維建模技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用[J].科技資訊，2010(3):217-219

[3]譚仁春 彭清山 鄧凌雯. 基于空間信息技術(shù)的城市三維快速建模方法研究[EB/OL]. http://wenku.baidu.com/view/abd44f3331126edb6f1a10d8.html,2010-12-22

[4]黃心淵.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1999

[5]崔新友，王培培．貼圖烘焙技術(shù)及其在城市三維景觀系統(tǒng)中的應(yīng)用初探[J].科技信息，2010(2):28-31

[6]李德仁，邵振峰，楊小敏.從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐[J].地理空間信息，2011,9(6):1-4