蔡 磊，康 荔，代巨鵬，朱 偉

（1.國(guó)土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710001；2.陜西省煤田地質(zhì)局 物探測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710001）

鎖陽(yáng)城原名苦峪城，在甘肅省安西縣城東南約70 km的戈壁上，是我國(guó)目前保存最為完整的漢唐古城之一，也是古代沙漠化演進(jìn)過(guò)程滄桑變化的典型標(biāo)本[1]。基于甘肅絲綢之路申報(bào)世界文化遺產(chǎn)的需要，鎖陽(yáng)城三維建模是必要的。目前三維建模技術(shù)日趨成熟，并已經(jīng)應(yīng)用到很多方面，對(duì)于建模技術(shù)方法的研究則主要集中在城市建模和規(guī)則地物建模方面[2]，針對(duì)古城墻遺跡的三維建模的研究很少，還沒(méi)有形成統(tǒng)一且成熟的建模方法。本文針對(duì)古跡現(xiàn)狀，靈活運(yùn)用航測(cè)相關(guān)技術(shù)，研究了從模型數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理，再到數(shù)據(jù)建模的古城墻三維建模方法。

1 技術(shù)路線

鎖陽(yáng)城地形凹凸起伏，城墻破損嚴(yán)重，采用常規(guī)方法建模實(shí)現(xiàn)難度較大。本文首先采用立體測(cè)圖技術(shù)采集地形高程點(diǎn)和城墻特征點(diǎn)；然后在ArcGIS中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在3Dmax中進(jìn)行地形和城墻建模以及實(shí)景貼圖；最后將三維地形模型和城墻模型導(dǎo)入到SuperMap中，建立三維場(chǎng)景。技術(shù)路線圖如圖1。

2 三維建模

根據(jù)數(shù)據(jù)處理方式和建模方法的不同，鎖陽(yáng)城三維建模分為地形建模、城墻建模和其他要素建模3個(gè)部分。模型的幾何數(shù)據(jù)綜合利用航空攝影測(cè)量、內(nèi)業(yè)航空攝影測(cè)量工作站通過(guò)立體數(shù)據(jù)采集、全野外數(shù)字化散點(diǎn)測(cè)量和GIS數(shù)據(jù)處理等方法獲取。

2.1 地形建模

圖1 鎖陽(yáng)城三維建模技術(shù)路線

為更準(zhǔn)確、更逼真地反映鎖陽(yáng)城地形，地形建模采用地形模型疊加DOM的方式。鎖陽(yáng)城影像數(shù)據(jù)采用無(wú)人機(jī)獲取的高清影像，經(jīng)正射糾正為DOM。在立體數(shù)據(jù)采集中，采用2 m×2 m的采樣距離，提取地形高程點(diǎn)。在ArcMap中展繪高程點(diǎn)，采用克里金法插值出地形柵格，然后采用0.5 m等高距從地形柵格上提取等值線。將等值線導(dǎo)入到3DMAX 9中，采用地形工具生成地形模型，再與處理好的正射影像DOM 疊加，形成三維地形模型[3]。

2.2 城墻建模

鎖陽(yáng)城歷史悠久，城墻破損嚴(yán)重，為更準(zhǔn)確地反映城墻現(xiàn)狀，本文利用高清航空攝影影像進(jìn)行航空攝影測(cè)量工作站立體數(shù)據(jù)采集。采用立體測(cè)圖方法，繪出城墻的頂?shù)走吘€，對(duì)城墻表面變化較大的地方對(duì)照立體影像采集特征線和特征點(diǎn)。為了使一些破壞的城墻區(qū)域數(shù)據(jù)更為精確，又采用了全野外數(shù)字化散點(diǎn)測(cè)量獲取部分?jǐn)?shù)據(jù)。在ArcMap中根據(jù)特征線和特征點(diǎn)創(chuàng)建TIN，然后采用0.2 m間距提取表面等值線，并對(duì)等值線作平滑處理。

將城墻等值線導(dǎo)入到3DMAX 9中，采用地形工具生成城墻三維模型。為達(dá)到與真實(shí)城墻逼真的效果，模型建好后要進(jìn)行實(shí)景紋理貼圖，貼圖應(yīng)保證其在水平和垂直兩個(gè)方向上無(wú)傾斜，明暗及對(duì)比關(guān)系合適，顏色與模型周邊匹配合理，無(wú)樹(shù)木或其他障礙遮擋[4]。城墻三維模型如圖2所示。

圖2 城墻三維模型

2.3 其他地物建模

鎖陽(yáng)城中除城墻外，還有許多其他要素，如磚鋪路、樓梯、古跡碑等需要進(jìn)行建模。

磚鋪路在建模時(shí)采用正射影像為底圖，矢量化出路的邊線，在3Dmax 9中將建好的地形模型調(diào)整到俯視狀態(tài)，然后對(duì)矢量圖進(jìn)行映射，從三維地形上提取出磚鋪路，最后進(jìn)行貼圖處理。

由于樓梯很窄，在立體測(cè)圖系統(tǒng)中難以準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，因此，樓梯的建模數(shù)據(jù)主要由野外RTK實(shí)測(cè)獲取。將RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)在Cass中展點(diǎn)，然后導(dǎo)入到3Dmax 9中進(jìn)行建模。樓梯模型如圖3所示。

圖3 樓梯三維模型

古跡碑建模首先野外量測(cè)尺寸，然后在3Dmax 9中進(jìn)行建模，最后將建立好的模型根據(jù)RTK測(cè)得的位置數(shù)據(jù)放到具體點(diǎn)位。古跡碑模型如圖4所示。

圖4 古跡碑模型

2.4 模型優(yōu)化

數(shù)據(jù)量大是三維建模經(jīng)常遇到的情況。本研究在建模前制定了嚴(yán)格的建模規(guī)范，來(lái)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，降低模型數(shù)據(jù)量。建模過(guò)程中盡量采用最少的面來(lái)達(dá)到模型表達(dá)的效果，能用貼圖表現(xiàn)的要避免建模[5]。建立完成的地物模型，采用3Dmax中attach命令將同一地物模型要素合為一個(gè)整體，并進(jìn)行相應(yīng)命名[6]。

3 三維場(chǎng)景建設(shè)

在3Dmax中建立的三維模型，通過(guò)SuperMap Max Plugin 6R[7]插件導(dǎo)出超圖空間數(shù)據(jù)集。采用超圖的SCV(大容量模型緩存)格式，能很好地解決大模型的顯示和運(yùn)行問(wèn)題。

采用超圖插件導(dǎo)出地物模型時(shí)，設(shè)置模型地理坐標(biāo)，將模型精確定位到三維場(chǎng)景中的具體位置。SuperMap Deskpro 6R軟件具有方便的場(chǎng)景設(shè)置工具，能對(duì)相機(jī)模式、視圖模式、場(chǎng)景要素、太陽(yáng)特效、模型陰影等進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)入到超圖三維場(chǎng)景中的模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)建立默認(rèn)屬性表，可以建立新屬性字段，存儲(chǔ)模型其他相關(guān)信息，“型屬結(jié)合”，使模型的信息承載力更加強(qiáng)大。三維場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 鎖陽(yáng)城三維場(chǎng)景

[1]李并成.鎖陽(yáng)城遺址及其周圍古墾區(qū)沙漠化過(guò)程考[J].絲綢之路,2011(18):27-30

[2]張新利,趙力彬,閆會(huì)杰,等.西安世園會(huì)三維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào),2012(11):84-86

[3]張明旺.基于ArcGIS和3DS Max的數(shù)字廠區(qū)三維可視化系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2012

[4]吳延,王曉峰.基于實(shí)景圖像分色技術(shù)的三維全景展示系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪通報(bào),2012(2):71-73

[5]孫悅,鮑泓,馬楠,等.中國(guó)古建筑虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,22(3):40-44

[6]劉虎,陳漢文.基于3DS MAX的校園三維模型室內(nèi)外一體化制作[J].地理空間信息,2013,11(2):53-55

[7]北京超圖.SuperMap GIS 6R桌面產(chǎn)品使用手冊(cè)[Z].北京:北京超圖軟件股份有限公司,2012