王星捷

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614007)

基于MapGIS三維數(shù)字城市的實(shí)現(xiàn)

王星捷

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614007)

隨著硬件設(shè)備、信息技術(shù)和媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模虛擬地形場景得到了越來越多的關(guān)注，三維數(shù)字城市的重要性也越來越突出，同時出現(xiàn)了一些技術(shù)難點(diǎn)。針對三維數(shù)字城市建設(shè)中三維可視化表達(dá)模型和可視化技術(shù)的難點(diǎn)問題，提出了一種基于MapGIS技術(shù)的三維數(shù)字城市技術(shù)，采用了MapGIS技術(shù)和Sketchup平臺相結(jié)合，通過制作精細(xì)的二維地圖數(shù)據(jù)、三維模型并通過二維地圖數(shù)據(jù)與三維模型的無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市。具體的實(shí)例結(jié)果表明，在三維建模、三維模型存儲和三維模型可視化的整個過程中體現(xiàn)出快捷、交互性好、瀏覽效率高等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了技術(shù)的難點(diǎn)。為三維數(shù)字城市建設(shè)提供了一種新的方法，為三維數(shù)字城市的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)參考。

三維模型；三維數(shù)字城市；MapGIS；SketchUp

0 引 言

在現(xiàn)今高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時代，無論是網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展還是人們意識形態(tài)的轉(zhuǎn)變，都發(fā)生著相當(dāng)大的變化，尤其是人們對于維度的改變有了一個全新的認(rèn)識，以往的二維空間已經(jīng)不能滿足用戶的各種需求，而火熱上升的三維時代正在被用戶所期待。當(dāng)一談到三維空間，首先就必須要談到三維數(shù)字城市，那是因?yàn)槿S數(shù)字城市[1]是在數(shù)字城市所支持的信息、數(shù)據(jù)等前提條件下，由相應(yīng)的模型生成技術(shù)構(gòu)建的一種數(shù)字化城市的模式。

現(xiàn)階段建立數(shù)字城市只是一種常態(tài)化的發(fā)展形式，并且它與建立三維數(shù)字城市是密不可分的，而且也是現(xiàn)實(shí)數(shù)字城市空間擴(kuò)展和延伸的一種形象化表現(xiàn)形式[2]。它的構(gòu)成是一個層次結(jié)構(gòu)，當(dāng)定義數(shù)字城市時，是以最基本的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)平臺，從高科技的信息化手段和工具著手，完成由資源、環(huán)境到所有三維模型[3]的全過程。在二維平臺基礎(chǔ)上創(chuàng)建三維數(shù)字城市，不僅給人們的視覺帶來了全面的革新，而且結(jié)合國際、國內(nèi)的發(fā)展模式，也形成了從二維到三維的一個全面升級。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思想

創(chuàng)建三維數(shù)字城市必須具備特定條件，包括二維數(shù)據(jù)制作、三維建模和二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動[4]，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。首先，建立二維空間數(shù)據(jù)信息，通過下載建設(shè)區(qū)域的數(shù)字遙感影像圖，進(jìn)行精確數(shù)字化處理(如矢量化、坐標(biāo)矯正等)。其次，根據(jù)二維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行三維模型的建立，其中要考慮到多種不同的建筑物、地類符號、建筑輔助設(shè)施等，關(guān)鍵是要考慮三維模型的大小。最后，進(jìn)行三維模型的導(dǎo)入，也就是二、三維聯(lián)動技術(shù)。

文中采用SketchUp三維建模技術(shù)，該技術(shù)是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)創(chuàng)作的3D模型技術(shù)[5]。在整個制作流程中不僅可以直觀地表達(dá)用戶的設(shè)計(jì)理念，而且可以滿足用戶隨時交流的實(shí)時性。二、三維聯(lián)動技術(shù)采用MapGIS技術(shù)，MapGIS K10平臺提供了多種三維平臺的支撐工具，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工具，能無縫結(jié)合二維數(shù)據(jù)和三維模型，保證場景的直觀逼真，同時能加入燈光和樹木的效果，讓三維場景更加靈活。具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

2 二維數(shù)據(jù)處理

采集城市相關(guān)數(shù)據(jù)時，就需要找到與城市建設(shè)區(qū)域圖形完全一致的底圖，并且這個圖形也必須和實(shí)際區(qū)域圖形是1∶1的平面圖。利用“稻歌”軟件查找相應(yīng)區(qū)域的影像地圖，并確定其位置、大小、地物是否和實(shí)際區(qū)域的相關(guān)信息一致，截取與對應(yīng)區(qū)域的影像圖。為了使后期圖片的數(shù)字化過程更容易進(jìn)行，必須先降低圖片的視點(diǎn)高度值，把圖片影像放大至較高分辨率。

后期處理中，誤差校正的時候需要用到平面直角坐標(biāo)，然而這樣就要求對截取的影像圖像的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，采用Envi軟件中Map菜單中的Map coordinate Converter命令進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

由于線文件是根據(jù)原始圖片大小而創(chuàng)建的，在建立模型時就需要創(chuàng)建和原始地物相一致的地物尺寸，因此必須對已經(jīng)建立好的線文件進(jìn)行誤差校正，這樣才能使后期的三維模型建立更加地趨于真實(shí)化。采用“標(biāo)尺”工具進(jìn)行校正。

獲取了遙感影像圖之后，需要對圖進(jìn)行整體拼接，采用Photoshop軟件，將各個區(qū)域的圖形按照先后順序分成2行，每一行的幾張圖片拼接到一個圖層組里面。利用移動工具與之前設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)，把每一排的圖對齊，用方向鍵對每幅圖的位置進(jìn)行調(diào)整，使這些圖片在調(diào)整中覆蓋掉重疊的部分，最后將這些圖片連接起來。拼合成功后的圖像存為tif格式。

處理完上述步驟后，下面要進(jìn)行地圖的數(shù)字化處理，也就是矢量化處理。利用MapGIS平臺將將tif格式轉(zhuǎn)換為msi格式的影像圖，通過對地圖的各個特征，建立相應(yīng)的點(diǎn)、線、面文件。矢量化過程中，要結(jié)合實(shí)際，把影像圖片上該有的轉(zhuǎn)角圓滑化，建筑物地面的陰影合理化等，一步一步進(jìn)行矢量化，不能在圖中留下沒有屬性的地方，以免在三維建模中出現(xiàn)不匹配和拼接不上的現(xiàn)象，從而完成整個二維空間數(shù)據(jù)的制作。具體效果如圖2所示。

圖2 二維空間數(shù)據(jù)

3 三維建模

將完成的二維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換出來的圖片作為三維建模的底圖。通過外景采集、三維模型建立、紋理貼圖、三維模型編輯以及三維模型數(shù)據(jù)庫建立實(shí)現(xiàn)整個三維建模。具體的技術(shù)流程圖如圖3所示。

常用的三維建模軟件有SketchUp[6]、3D Max、Unity 3D、AutoCAD等。經(jīng)過技術(shù)對比，選用SketchUp，其簡單易學(xué)，界面簡潔，操作命令少，可以快速建立三維模型，數(shù)據(jù)精度也符合要求，而且還可以導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式的文件[7]，并且能應(yīng)用于MapGIS K10的三維平臺。

在三維建模過程中，地理要素包含點(diǎn)狀要素、線狀要素、面狀要素和體要素四個方面[8]。采用SketchUp，建模變得非常簡單，尤其是對線和面的編輯，它的延展性和靈活性簡化了三維建模的工作。建模工作主要包含導(dǎo)入矢量化的底圖數(shù)據(jù)、建立三維模型、貼圖、保存模型、導(dǎo)出想要的文件格式。

圖3三維建模技術(shù)流程

在SketchUp中，可以將“線”建?？醋魇蔷哂幸欢娣e的三維平面[9]。例如，河流可以看作是具有寬度的線狀面域，然后對其建模，如圖4所示。

圖4 線建?！恿?/p>

面狀地物[10]要素是具有面積和周長特性的面，像城市里的樓房、廣場、草坪等。主要的建模對象是建筑物，建模的主要步驟是：先通過矢量化好的底圖數(shù)據(jù)，找到要建模對象的位置，拉伸得到建筑物的初步模型；再通過外業(yè)取景回來經(jīng)過PS處理的圖片進(jìn)行參照對比，細(xì)化模型；最后根據(jù)需要，進(jìn)行貼圖處理。

創(chuàng)建其他輔助模型，傳統(tǒng)的輔助模型(如道路、樹木、路燈等)，采用三維建模工具進(jìn)行建模和貼圖，工作量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而利用MapGIS K10三維處理平臺可以直接進(jìn)行建模。在創(chuàng)建城市道路模型時，不需要像制作建筑物那樣麻煩，直接在MapGIS中通過線編輯功能畫線，在導(dǎo)入三維景觀模型時，直接用線生成模型功能就可以創(chuàng)建各種樹木和路燈模型。

4 二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動

在完成二維數(shù)據(jù)的同時，完成二維空間數(shù)據(jù)庫和坐標(biāo)的矯正，并導(dǎo)出圖形作為三維建模的底圖，為二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動奠定了基礎(chǔ)。采用MapGIS的GDB企業(yè)管理器建立好需要存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，然后建立好需要編輯的所有圖形的圖形庫文件。

為了保證三維瀏覽[11]的速度，在三維建模過程中考慮了三維模型大小的控制。SketchUp建模既保證了一定的精度，同時也較好地控制了模型的大小[12]，而且SketchUp建立的模型支撐多種GIS平臺格式，便于二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動。

將完成的三維模型保存為obj格式，逐一導(dǎo)入到MapGIS K10三維平臺，將三維模型與二維圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)一一對應(yīng)[13]。完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，三維模型與二維空間數(shù)據(jù)完成了聯(lián)動，此時三維模型不只是單單的模型，而是具有空間坐標(biāo)和空間屬性的三維空間數(shù)據(jù)庫，并且能夠進(jìn)行三維漫游、空間分析、空間查找等空間處理功能。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，在瀏覽過程中，保證了較好的展示效果，在空間處理中，保證了響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了較好的三維系統(tǒng)瀏覽、三維空間分析、三維空間查找、三維空間效果分析[14](如日照、水淹等效果)。

通過MapGIS K10三維景觀平臺的景觀處理和動態(tài)效果處理，三維數(shù)字城市顯示和三維漫游效果如圖5所示。

圖5 三維數(shù)字城市顯示效果

5 結(jié)束語

文中驗(yàn)證了MapGIS和SketchUp等相關(guān)模型制作軟件之間的相互可操作性，系統(tǒng)通過二維數(shù)據(jù)采集，二維數(shù)據(jù)拼圖和矢量化處理，三維模型建立，三維貼圖和三維空間定位，二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動處理，完成了三維數(shù)字城市系統(tǒng)的建立。通過采取樂山某城區(qū)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)，證實(shí)采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市的快捷性和實(shí)用性。采用的三維數(shù)字城市技術(shù)為三維數(shù)字城市的實(shí)現(xiàn)提供了一定的參考依據(jù)和一種新的技術(shù)方法。

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Realization of 3D Digital City Based on MapGIS

WANG Xing-jie

(Engineering Technical College of Chengdu University of Technology,Leshan 614007,China)

With the rapid development of hardware equipment,information and media technology,the virtual terrain scene with large scale has become more and more concerned by people,and some technical difficulties have emerged.In order to solve the difficulties in the process of 3D digital city construction,such as the technique of 3D visualization expression model and visualization,a 3D digital city technology based on MapGIS is proposed.The combination of MapGIS and Sketchup platform,the three-dimensional digital city is realized through the production of fine two-dimensional map data,three-dimensional model and seamless integration between two-dimensional map data and three-dimensional model.The specific example demonstrates that the whole process of 3D modeling,3D model storage and visualization of 3D model is fast and interactive,with high efficiency,which solves the technical difficulties well.It provides a new method and technical reference for the construction of 3D digital city.

3D model；3D digital city；MapGIS；SketchUp

2016-02-19

2016-05-25

時間：2016-11-21

2014年度四川省教育科研項(xiàng)目(14ZB0351)

王星捷(1980-)，男，副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字城市、智慧城市、三維空間數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161121.1641.038.html

TP319

A

1673-629X(2016)12-0096-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.021