胡 榮，張 旻

（1.華中科技大學(xué) 文華學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

在“數(shù)字城市”基礎(chǔ)上的所有操作行為（空間分析等），都取決于在三維建模過(guò)程中所選擇的數(shù)據(jù)源、建模方法以及所建立的模型的逼真程度[1]。隨著大規(guī)模城市三維建模工程的不斷出現(xiàn)，三維顯示日益成為城市空間信息在線服務(wù)的主要方式。因此，地球空間信息技術(shù)發(fā)展的基本方向是突破傳統(tǒng)的二維表示的局限，將傳統(tǒng)的城市地理空間數(shù)據(jù)資料應(yīng)用到建立真三維的科學(xué)框架中。目前國(guó)內(nèi)外主要的三維顯示軟件 有Google Earth、Skyline、WorldWind、EV-Globe、GeoGloble和VRMap等。其中，Skyline以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理及空間分析功能在“數(shù)字城市”建設(shè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。在對(duì)Skyline平臺(tái)研究的基礎(chǔ)上，本文利用其對(duì)武漢大學(xué)信息學(xué)部局部校區(qū)進(jìn)行了三維重建工作。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理

1.1 影像數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)根據(jù)三維重建的精度要求進(jìn)行選擇，一般采用航空影像或者高分辨率衛(wèi)星遙感影像，如果獲取的影像數(shù)據(jù)是未經(jīng)過(guò)糾正的原始影像數(shù)據(jù)，則需要用專門的遙感影像處理軟件（如Erdas）進(jìn)行糾正處理。

Google Earth是一個(gè)免費(fèi)的衛(wèi)星影像瀏覽軟件，故此次建模的影像數(shù)據(jù)是通過(guò)Google Earth獲取的。Google Earth采用的地理坐標(biāo)是WGS84大地坐標(biāo)系，采集到的影像數(shù)據(jù)必須通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行空間配準(zhǔn)，恢復(fù)其原來(lái)的空間參考坐標(biāo)信息，配準(zhǔn)時(shí)控制點(diǎn)信息可以從Google Earth上讀取。

1.2 高程數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后的影像數(shù)據(jù)要與地表數(shù)字高程模型（DEM）一起，直接在TerraBuilder中調(diào)用，用來(lái)生成三維地表模型。由于武漢大學(xué)信息學(xué)部地勢(shì)平坦，且校園內(nèi)并沒(méi)有明顯的高處，因此，DEM數(shù)據(jù)可采用由美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)量公開(kāi)的SRTM數(shù)據(jù)。SRTM數(shù)據(jù)為雷達(dá)影像數(shù)據(jù)經(jīng)處理制作的數(shù)字地形高程模型，目前能夠免費(fèi)獲取到中國(guó)境內(nèi)分辨率為90 m的SRTM3文件。

1.3 線劃地形圖數(shù)據(jù)

線劃地形圖數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換為TerraExplorer Pro批量建模的shp文件。此次采用的線劃地形圖是1幅武漢大學(xué)信息學(xué)部局部的線劃地形圖，比例尺是1∶500，平面坐標(biāo)采用北京1954坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

1.4 紋理數(shù)據(jù)

紋理數(shù)據(jù)主要包括建筑物、道路以及其他景觀的紋理數(shù)據(jù)。道路的紋理數(shù)據(jù)可由TerraExplorer Pro自帶的素材庫(kù)獲取，而建筑物及其他景觀的紋理數(shù)據(jù)在拍攝過(guò)程中需要注意：

1）拍攝盡量選擇光線較好的時(shí)候，并且盡量拍攝建筑物的正面，這樣拍攝出來(lái)的圖片便于進(jìn)行修改。

2）當(dāng)建筑物的有些面有遮擋物或者為了保證建筑物整體結(jié)構(gòu)的完整性時(shí)，需要換視角拍攝多幅影像，后期再進(jìn)行拼接處理。

3）對(duì)紋理數(shù)據(jù)文件統(tǒng)一命名管理，使其與建筑物模型唯一對(duì)應(yīng)。

數(shù)碼相機(jī)拍攝的紋理圖片需要進(jìn)行相關(guān)處理才能用于建模貼圖，一般采用Photoshop等軟件對(duì)圖片進(jìn)行矯正和處理。處理過(guò)程中需要注意：確保建筑物主要面的紋理完整真實(shí)；消除其他地物紋理陰影的遮擋；保持紋理影像色調(diào)的調(diào)勻，紋理的像素尺寸應(yīng)該是2的n次方，避免使用純黑色，因?yàn)樵赥erraExplorer中純黑色的顯示是透明的；注意紋理圖片的大小，TerraExplorer Pro中要求紋理圖片在Photoshop中顯示不超過(guò)600 K，一般情況下，紋理存儲(chǔ)格式為.JPG，透明紋理格式存儲(chǔ)為.TGA。

2 建模的方法及關(guān)鍵技術(shù)

在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行校區(qū)的景觀三維重建，主要包括三維場(chǎng)景MPT的重建和城市景觀的三維重建。首先，從現(xiàn)實(shí)校園真實(shí)再現(xiàn)的角度及其所建立三維應(yīng)用的角度來(lái)分析校園景觀三維模型重建的復(fù)雜程度。如果是從現(xiàn)實(shí)校園真實(shí)再現(xiàn)的角度來(lái)看，所建模型的精度越高越好，但是從應(yīng)用的角度來(lái)看，關(guān)鍵是模型能夠滿足實(shí)際需求即可[2]。因此，將校園的主要景觀分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的普通建筑物、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的標(biāo)志性建筑物及道路、樹(shù)木等其他基礎(chǔ)設(shè)施景觀，校園主要景觀的三維重建也是從這3個(gè)方面著手[3]。

2.1 建立三維場(chǎng)景MPT

采用TerraBuilder進(jìn)行地表數(shù)據(jù)集的工程的建立，具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 TerraBuilder建立MPT流程圖

此時(shí)建立的三維場(chǎng)景MPT是一個(gè)以地球坐標(biāo)（WGS84坐標(biāo)系）為依據(jù)、可嵌入海量地理數(shù)據(jù)、具有多分辨率、能三維可視化表達(dá)的虛擬地球，校園景觀模型的三維重建都是建立在這一虛擬地球之上的。

2.2 建筑物批量建模

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的普通建筑物，先將線劃地形圖數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的Building.shp文件，在TerraExplorer Pro中利用Layer工具導(dǎo)入批量建模。

TerraExplorer Pro中的紋理映射技術(shù)可將收集的紋理圖像映射到模型的多邊形上。適當(dāng)?shù)乩眉y理映射技術(shù)，可提高場(chǎng)景的逼真度并降低模型的復(fù)雜程度。

此時(shí)的建筑物是沒(méi)有紋理數(shù)據(jù)的，需要用到前面準(zhǔn)備的紋理圖片數(shù)據(jù)對(duì)建筑物的每個(gè)面進(jìn)行紋理粘貼，對(duì)于屋頂不是平頂類型的建筑物（批量建模時(shí)屋頂默認(rèn)為平頂），需要在建筑物的屬性中修改建筑物的屋頂類型。

2.3 建筑物精細(xì)建模

對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且具有標(biāo)志性的建筑物，例如主教學(xué)樓、友誼廣場(chǎng)的雕塑或者要求室內(nèi)漫游的建筑物，實(shí)際工作中一般采取以下3種方法進(jìn)行精細(xì)建模。

1）獲取建模對(duì)象足夠的影像數(shù)據(jù)，根據(jù)攝影測(cè)量的原理可進(jìn)行精細(xì)建模。

2）利用三維激光掃描系統(tǒng)獲取建模對(duì)象（如需要室內(nèi)漫游建筑物內(nèi)部也需要掃描）的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、拼接、建模等操作，可實(shí)現(xiàn)其精細(xì)建模[4]。

3）利用建筑物在CAD中的建筑結(jié)構(gòu)底圖，結(jié)合3DS Max等專業(yè)建模軟件進(jìn)行精細(xì)建模。

結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，校區(qū)建筑物的精細(xì)建模采取的是第3種方法，具體過(guò)程如下：

1）幾何建模：在3DS Max中將單位設(shè)置為m，導(dǎo)入CAD底圖，根據(jù)建筑物的高程信息建立起幾何模型。具體建模過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題：建模時(shí)應(yīng)該用實(shí)際大小建模；對(duì)所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化，要在維持模型顯示效果的前提下，使用盡可能少的點(diǎn)、線、面；建模過(guò)程中盡量少用布爾運(yùn)算和切割運(yùn)算，減少面的數(shù)量和細(xì)小壞面的出現(xiàn)；建模完成后要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除全部不需要的面，因?yàn)門erraExplorer Pro中要求單個(gè)建筑物的精細(xì)模型在3DS Max里面的面數(shù)控制在4 000以內(nèi)。

2）對(duì)建筑物的各個(gè)面進(jìn)行紋理貼圖：TerraExplorer Pro中支持3DS Max的漫反射貼圖，不支持多維子材質(zhì)貼圖，且貼圖坐標(biāo)只能用UVWMAP修改器，材質(zhì)編輯器中貼圖無(wú)效。如果模型需要制作透明效果，如欄桿、鏤空等結(jié)構(gòu)，要使用帶透明通道的.PNG或者.TGA格式的圖片通過(guò)漫反射貼圖方式進(jìn)行貼圖。

3）導(dǎo)出模型文件：將整個(gè)建筑物所有對(duì)象group后歸零，在3DS Max中使用PandaDXExport插件導(dǎo)出.X模型文件[5]。

如果在精細(xì)建模后模型的數(shù)量較多、多個(gè)模型需要批量導(dǎo)入的情況下，可利用TerraExplorer Pro的系統(tǒng)工具M(jìn)akeXpl.exe將.X格式的文件生成.XPL格式，將模型打包在TerraExplorer Pro建筑物精細(xì)模型批量導(dǎo)入。新的.XPL格式能夠?qū)?X模型自動(dòng)生成紋理分辨率逐漸減小的一組模型，在場(chǎng)景中使用這組紋理逐級(jí)顯示的模型時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)模型的可見(jiàn)度和與觀察者的接近程度自動(dòng)選擇最佳尺寸紋理的模型。

TerraExplorer Pro中可對(duì)三維模型對(duì)象設(shè)置參數(shù)“Best LOD Size”，從而優(yōu)化三維顯示效果。其中，LOD[6]是解決當(dāng)前硬件性能不夠發(fā)達(dá)的技術(shù)產(chǎn)物，可以說(shuō)它是一種過(guò)渡技術(shù)，現(xiàn)階段可以有效地解決渲染速度的瓶頸問(wèn)題。LOD值在批量導(dǎo)入模型時(shí)默認(rèn)為1 000，這個(gè)值是控制模型金字塔貼圖分級(jí)漸變的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)值越大，模型顯示最高級(jí)別精度貼圖模型的可視距離就越小，系統(tǒng)運(yùn)行效率越高，反之亦然。這個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為2 500左右，一般最大值不超過(guò)5 000[7]。

2.4 其他景觀三維重建

對(duì)于校園景觀中的道路、樹(shù)木、草坪、操場(chǎng)及廣場(chǎng)路面等地物，如果也用實(shí)體模型來(lái)表達(dá)的話，將產(chǎn)生大量的多邊形，從而給系統(tǒng)帶來(lái)運(yùn)算壓力。為了解決該問(wèn)題，可以采用透明紋理映射技術(shù)[8]，透明紋理是通過(guò)紋理技術(shù)和融合技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)的。因此，在TerraExplorer Pro利用透明貼圖來(lái)代替這些細(xì)節(jié)模型實(shí)現(xiàn)這些小景觀的三維建模，這些貼圖會(huì)隨著用戶視角的改變旋轉(zhuǎn)，這樣看到的樹(shù)木等物體就不會(huì)失真，不會(huì)影響模型顯示的真實(shí)感[9]。圖2是整個(gè)建模工作完成后的效果圖。

圖2 武漢大學(xué)信息學(xué)部局部三維建模效果圖

3 結(jié) 語(yǔ)

“數(shù)字城市”建設(shè)是一個(gè)比較熱點(diǎn)的項(xiàng)目，三維建模是其中一個(gè)重要部分，如何結(jié)合已有的地理空間信息數(shù)據(jù)、利用已有的三維建模軟件進(jìn)行快速建模是實(shí)際項(xiàng)目的重點(diǎn)。Skyline提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，它能充分利用已有的數(shù)據(jù)資源，在很大程度上節(jié)約了“數(shù)字城市”建設(shè)的資本。

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[3]常德海. 基于Skyline的虛擬校園建設(shè)理論與方法研究[D].開(kāi)封: 河南大學(xué), 2009

[4]Zhang Y, Ge L. Image-based Approach to Generation of Offset Curves from Point Cloud[C]. 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering,2009,: 2 223-2 226

[5]基于Skyline的三維模型工程流程[EB/OL].北京東方道爾有限公司, 2010

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[8]李從信, 劉井麗, 彭雙根,等. 透明紋理技術(shù)在實(shí)時(shí)渲染中的應(yīng)用[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2006, 30(4): 3

[9]雷娜娜. 數(shù)字西安三維景觀系統(tǒng)的構(gòu)建[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2009