陳 玲

(常州市測繪院,江蘇常州 213002)

基于CAD和Creator的城市三維快速建模方法研究

陳 玲?

(常州市測繪院,江蘇常州 213002)

提出一種城市三維快速建模方法,即利用現有城市基礎地理信息資源,借助CAD和Creator軟件平臺,通過開發(fā)各種人機交互的輔助工具,結合特定的技術流程來實現既準確又美觀的城市快速建模技術方法。文中以實際地塊建模為例,詳細描述了地塊中建筑、地面、道路、小品等各類對象建模的具體建模方法,該方法既提高了城市三維建模的效率又保證了城市三維模型真實、美觀的效果。

CAD;Creator;城市三維;快速建模

1 引 言

隨著計算機技術和現代測繪技術的迅猛發(fā)展,計算機虛擬現實、仿真技術和地理信息系統(tǒng)的緊密結合,為城市空間地理信息系統(tǒng)的建設提供了嶄新的表現方式,為人們認識和改造城市社會提供了嶄新的觀察和分析方法。城市三維仿真以其逼真的三維場景和良好的交互性能夠給用戶帶來強烈的、逼真的視覺沖擊,獲得身臨其境的體驗,可廣泛地應用于城市規(guī)劃、智能交通、三維地圖、自然災害和恐怖襲擊等事故應急管理、污染物擴散的模擬與仿真、城市中的文化遺產保護、真實感游戲、城市監(jiān)控、建筑設計等領域。以3DGIS技術所追求的精確數據為出發(fā)點,向虛擬現實所追求的逼真效果靠攏,如何快速、準確、逼真地建立三維模型已成為越來越關注的問題。

2 CAD與Creator結合建模

2.1 城市建模方法比較

就城市建模方法而言,目前可以分為兩種:一種技術方法是基于空間信息的城市三維建模方法,是基于測繪行業(yè)形成的數字地形圖數據(DLG)、數字高程模型數據(DEM)、遙感影像數據(DOM)等資源,形成反映空間形態(tài)的三維模型。另一種技術方法是基于虛擬現實技術的城市三維建模方法,是以景觀設計的視覺感受為出發(fā)點,將地物分別作為建模對象,最終形成逼真視覺感受的三維模型。

兩者進行比較,前者的優(yōu)點是能有效利用城市測繪的數據(如DLG、DEM、DOM),能夠精確反映地形起伏特征。能根據地形信息快速建立房屋及其他附屬設施的三維模型。缺點是所生成的地表模型只能反映地形起伏的大體特征,無法表達地形局部的細節(jié),還會導致平坦區(qū)域數據的冗余。而生成的房屋等建筑模型幾何數據過于簡單,紋理也過于粗糙,所生成的城市三維場景不夠逼真,用戶視覺感受不佳。后者的優(yōu)點是所制作的三維模型能夠較好地體現建筑結構特征和細節(jié),紋理貼圖逼真,地形景觀逼真,用戶視覺效果佳。缺點是人工干預較多,數據量大,效率比較低,模型沒有嚴格參照地物真實地理信息,難以保證模型的精度。

2.2 CAD與Creator結合建模方法

CAD與Creator結合建模的方法,是基于真實城市大比例尺高精度地形數據為基礎,嚴格遵循地塊中地物真實的三維信息而建立的逼真的三維場景。通過開發(fā)各種人機交互輔助工具,盡量減少人工干預,實現自動化操作。具體方法是:首先在CAD中將房屋、道路及其他小品設施根據建模需要進行有效提取,提取的信息結合建模需要可分為面狀、線狀、點狀,例如房屋提取面狀信息,人行道提取線狀信息,小品設施提取點狀信息,并根據數據情況分層歸類。由于所提取的基礎地形數據是作為后期三維建模的基礎及參照,所以對所提取的數據需進行必要的綜合與加工,這樣不僅能加快建模的速度,而且還能有效控制模型的數據量;其次,參考地形中的高程信息,或利用航測的方法采集高程信息,通過開發(fā)相應程序對所提取的數據信息賦予高程,并進行相應的數據轉換,將其轉成建模軟件Creator認可的數據格式;隨后在Creator中通過建立模型庫,實現部分模型的自動化建模,對少量模型進行相應的拉伸、放樣及貼紋理等精細化處理;最終將各類數據進行整合在一起,這樣制作的三維模型既能保證模型的地理精度,又提高逼真度,達到良好的視覺感受。具體操作流程如圖1所示:

圖1 快速建模流程

3 城市地塊快速建模實例

地塊快速建模內容主要包括建筑建模、地形建模、道路建模和小品及附屬設施建模等,以下分別介紹各類要素建模的方法。

3.1 建筑建模

建筑建模,首先在CAD中參照高精度基礎地形數據及竣工資料,提取建筑的幾何特征信息及高度信息。城市大比例尺地形圖一般對建筑,特別是結構復雜的高層房屋表達都比較詳細,進行適當的取舍與綜合,并根據結構作適當的劃分,這樣建立的建筑模型在不影響良好視覺效果的前提下,才能有效控制建筑模型的面數。對于要求較高的精細模型,建筑的樓頂結構及高度信息,可利用城市大比例尺航空攝影資料,從立體模型中進行采集。將提取的建筑的幾何及高度信息,導入到Creator中,根據提取的建筑平面及高度信息首先做出建筑的體塊模型,其次對屋頂及其他附屬設施進行細節(jié)加工,制作出建筑及其他附屬結構,提升建筑模型的效果。最后是進行建筑模型的紋理貼圖,包括建筑側面及頂部的紋理。建筑側面的紋理可采用街景攝影及實地拍照獲取。建筑頂部紋理可參照城市高分辨率正射影像圖,采用類似的屋頂素材進行貼圖,建筑建模過程如圖2所示:

圖2 建筑建模過程圖

3.2 地形建模

地形建模是用于表示地面起伏形態(tài)的三維建模。地形建模一般有兩種方法,一種是采用DEM疊加DOM的方式建模;另一種方法是根據地形圖、遙感影像、激光掃描點云或實地采集的數據為基礎,采用交互式CAD建模或激光點云建模的方式制作。從城市精細建模要求出發(fā),城市地形建模一般宜采用交互式CAD建模的方法。城市地形模型一般包括河流、廣場、內部道路、花圃、池塘等。由于地形模型形態(tài)各異且沒有規(guī)律性,所以都需單獨進行建模。地形元素的平面信息通過參照地形圖及高分辨DOM進行提取,按建模內容的不同,在CAD中將地形劃分成若干無縫銜接的封閉區(qū)域。地形元素的高度信息通過對地形圖及航測立體模型采集地形的特征點及特征線來控制。參照信息可分層進行存放,待將這些參照信息導入建模軟件后,同類地形可進行統(tǒng)一建模及處理。對于內部道路、花圃、池塘等的立面建模,可在Creator中先建立標準的斷面模型,通過放樣的方式快速便捷地建立起相應的模型。地形建模過程如圖3所示:

圖3 地形建模過程圖

3.3 道路建模

城市道路的起伏狀況及道路細節(jié)的可視化,可明顯增強道路模型的真實性和逼真性,其實現的關鍵技術是如何確定道路模型要素真實的空間關系以及如何生動地表達道路細節(jié)。道路建模時,可參照高精度基礎地形數據及高分辨率影像數據提取道路建模相關內容,包括:路邊線、路面、道路中心線、交通護欄、隔離帶及路面標線等信息。道路信息的空間信息可通過賦予提取的道路模型要素真實的高程信息來實現,通過開發(fā)各種人機交互輔助工具,在CAD中將具有高程信息的道路中心線通過程序,統(tǒng)一對提取的道路要素賦予高程信息。城市中的高架及立交橋等較復雜的道路處,除地面上的道路信息需提取外,架空處的道路信息也需單獨提取建模。將具有高程信息的道路數據轉入Creator中,通過新建Box或放樣等方法建立道路模型。高架及立交處建模時,還需注意道路地面及架空處的銜接。最后進行道路模型的紋理貼圖,城市道路的紋理比較單一,可制作相應的素材庫進行相應的紋理貼圖處理。道路建模過程如圖4所示:

圖4 道路建模過程圖

3.4 小品及附屬設施建模

小品及附屬設施數據的坐標信息,可在CAD中利用大比例尺地形圖及正射影像圖(DOM)進行提取,并對數據進行分類。為了達到快速建模的效果,我們制作了專門的小品模型庫,如路燈、行道樹、公交站臺、自動售貨機、交通崗亭等,并進行相應的紋理貼圖。參照高精度基礎地形數據及高分辨率影像數據提取小品及附屬設施數據,并進行分層分類,我們在CAD中,通過開發(fā)程序將分類的小品數據與小品模型庫作相關的對應與轉換,并賦予高程及角度等信息,將其保存為Creator認可的數據轉入Creator中。在Creator中,進行相應的模型與貼圖鏈接,模型就可批量自動生成。自動生成的模型具有統(tǒng)一性,為了增強小品模型的逼真性,還需對模型進行高度及真實紋理等細節(jié)的調整。小品及附屬設施建模過程如圖5所示:

圖5 小品及道路附屬設施建模過程圖

3.5 模型接邊整合

地塊中的各類模型在制作時沒有順序之分,都可獨立完成,但又必須完整地融合在一起。在分類建模完成后,以建好的地形及道路模型為基礎,對建筑和小品及附屬設施的起點高程作細微的調整,使整個規(guī)劃地塊內模型的空間關系更加精確、真實。地形及道路模型的相交處作也需作相應的調整編輯,保證地塊模型的完整性與合理性。

3.6 模型烘焙

對制作完成的模型進行光影烘焙,可大大增強城市三維表達的真實感。烘焙采用統(tǒng)一的燈光參數設置,對地塊中制作的各類模型進行光影處理。并對烘焙后三維場景光影效果進行調整,已達到整體美觀、逼真的效果,如圖6所示。

圖6 規(guī)劃地塊三維模型全景圖

4 結 語

綜上所述,本文介紹的城市三維建模方法及流程能較好地實現城市快速精細建模的需求,并能滿足模型制作的準備性和真實性要求,經過實踐證明該方法是可行和有效的,該模型制作方法有以下幾點創(chuàng)新之處:

(1)建模過程中,以城市大比例尺地形圖為基礎,有效地保證了三維模型的精度。

(2)通過開發(fā)各種人機交互輔助工具,對建模參照的基礎矢量數據賦予高程,有效實現了三維模型真實的空間關系。

(3)提出并實現自動化較高的小品及道路附屬設施三維建模方法,該方法有效提高景觀小品建模的效率。

但由于上述的方法及流程還處初級應用階段,還有許多有待于提高的地方,主要有兩方面內容:

①地形、道路建模時,為真實反映地面高差,采用對根據基礎地形提取的特征線賦予高程值,再導入creator進行建模,這樣建出的真實高差的地面模型比一般水平的建模方式會增加幾倍的數據量,會減弱系統(tǒng)運行的流暢性。因此,如何使地面模型即反映真實高差情況,又使數據量最小,還需反復地試驗和總結。

②雖然通過上述的方法已較好地實現了人機交互的建模方法,但如何根據地形數據在Creator中更大程度地實現快速、便捷、自動化的建模方法,還有待今后的摸索與研究。

參考文獻

[1] 張祖勛,張劍清.城市建模的途徑與關鍵技術[J].世界科技研究與發(fā)展,2003(3).

[2] 冉磊,高磊,張宇琳等.三維數字城市技術在城市規(guī)劃中的應用[J].城市勘測,2010(4).

[3] 鄧慧.關于數字城市的三維建模思路研究[J].科技資訊,2011(19).

[4] 王繼周,李成名,林宗堅.城市三維數據獲取技術發(fā)展探討[J].測繪科學,2004(4).

[5] 宗慶,陳敏.現代測繪技術在高架道路測繪工程中的應用[J].現代測繪,2012.(1).

[6] 朱文軍.數字城市三維模型的可視化技術[J].湖北民族學院學報·自然科學版,2005(9).

[7] 鄭亮.基于Creator和CAD的三維數字小區(qū)建模[J].山西建筑,2004(2).

[8] 李記泉,韓文泉,黃志洲,數字城市三維建模方法比較分析[J].現代測繪,2010(2).

Research of City 3D Modeling Method Based on CAD and Creator

Chen Ling
(Changzhou Surveying and Mapping Institution,Changzhou 213002,China)

This paper presents a three-dimensional city modeling method,namely the use of the existing urban basic geographic information resources,with the help of CAD and Creator software platform,through the development of various auxiliary tool for human-computer interaction,combined with specific technical processes to achieve both accurate and beautiful city 3 d fast modeling techniques.An actual plot is used to modeling as an example,detailed describes the plot in the building,ground,road,and other kinds of objects modeling specific modeling method,This method can not only improve the efficiency of city 3 d modeling and 3 d model to ensure the city real and beautiful effect.

CAD;creator;city 3D;rapid modeling

2014—03—25

陳玲(1979—),女,工程師,主要從事航空攝影測量、城市測量工作。