霍春玲,賈新宇

(1.黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于VirtuoZo與IMAGIS的城市三維建模技術(shù)

霍春玲1,賈新宇2

(1.黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

三維建模技術(shù)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，是虛擬現(xiàn)實(shí)所有應(yīng)用中一個(gè)關(guān)鍵的步驟和技術(shù)，基于VirtuoZo與IMAGIS在城市三維建模中的應(yīng)用，以黑龍江工程學(xué)院的校園影像為例，對(duì)建筑物三維坐標(biāo)采集的規(guī)則進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，提取校園建筑物的XYZ數(shù)據(jù)、DEM、DOM數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)地拍攝建筑物的立面影像，構(gòu)建空間位置精確的三維模型；通過(guò)低效率的手工操作粘貼建筑物的真實(shí)紋理，實(shí)現(xiàn)AVI視頻文件，最終實(shí)現(xiàn)建筑物的三維漫游。

VirtuoZo；IMAGIS；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維建模

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件、可視化技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的發(fā)展，相伴而生了“智慧城市”及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。三維建模技術(shù)是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，是虛擬現(xiàn)實(shí)所有應(yīng)用中一個(gè)關(guān)鍵的步驟和技術(shù)，是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的靈魂。虛擬GIS是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和GIS技術(shù)的高度集成，是能有效地對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化表示的3DGIS，可將人們帶到真實(shí)的三維世界里，真正實(shí)現(xiàn)城市景觀可視化。3DGIS系統(tǒng)采用真實(shí)的三維信息模型取代抽象的二維地圖符號(hào)，這樣就使二維地圖改變以往的信息簡(jiǎn)單化、內(nèi)容死板化的狀態(tài)，進(jìn)入到圖像動(dòng)態(tài)化、模型多維化的地圖時(shí)代[1]。目前，三維建模技術(shù)的方法途徑很多，以往基于IMAGIS的三維建模大多采用二維地圖進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，本文主要針對(duì)基于VirtuoZo與IMAGIS在城市三維建模中的建模技術(shù)進(jìn)行探討。

VirtuoZo與IMAGIS都是適普公司的產(chǎn)品，前者是適普軟件有限公司與武漢大學(xué)遙感學(xué)院共同研制的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，屬世界同類(lèi)產(chǎn)品的五大名牌之一。IMAGIS 三維可視地理信息系統(tǒng)是一套以數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字地面模型(DEM)、數(shù)字線劃圖 (DLG)和數(shù)字柵格圖 (DRG)作為處理對(duì)象的 GIS 系統(tǒng)。分為四大部分：三維可視地理信息系統(tǒng) (IMAGIS Classic)，基于專(zhuān)業(yè)測(cè)量技術(shù)的城市建模和可視化系統(tǒng) (IMAGIS MagiXity)，影像快速漫游系統(tǒng) (IMAGIS 3DBrowser) 以及三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng) (IMAGIS Web3D)。

1　三維建模信息數(shù)據(jù)的獲取

1.1航空影像立體模型的建立

在航空影像單模型建立模塊中，讀入航空影像數(shù)據(jù)并輸入相應(yīng)的照相機(jī)信息、控制點(diǎn)信息；建立像對(duì)并設(shè)置像對(duì)參數(shù)后，進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、生成核線影像，最終輸出定向后的立體模型元數(shù)據(jù)。通過(guò)模型定向以后，實(shí)際上就建立起一個(gè)與實(shí)地相似的幾何模型，也就是虛擬的地球，就可在這個(gè)虛擬的地球上進(jìn)行三維建模信息數(shù)據(jù)的采集。

1.2建筑物三維坐標(biāo)的獲取

航片資料需要經(jīng)過(guò)VirtuoZo IGS數(shù)字化測(cè)圖模塊作如下處理：用VirtuoZo生成核線影像以后就可以獲取建筑物輪廓的空間數(shù)據(jù)。但是用于生成三維模型的空間數(shù)據(jù)的獲取與一般的矢量空間數(shù)據(jù)的獲取有許多不同。新建XYZ文件時(shí)，注意各模型的XYZ文件名不能同名，應(yīng)該容易區(qū)分，不要太長(zhǎng)以方便所有場(chǎng)景的合并，此外，在彈出的對(duì)話框中暫時(shí)不用設(shè)置參數(shù)；地物屬性碼只需設(shè)置普通房屋2 110一個(gè)符號(hào)代碼；在打開(kāi)XYZ文件和立體像對(duì)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的獲取時(shí)，一定要把模型中的人工調(diào)整高程打開(kāi)，以確保各建筑物房頂在同一高度；只用折線采集數(shù)據(jù)，圓和弧也是折線工具測(cè)出的；所有要生成三維模型的折線必須封閉，因此，在采集數(shù)據(jù)時(shí)要打開(kāi)自動(dòng)封閉功能；采集建筑物的直角轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)必須要打開(kāi)自動(dòng)直角化功能；為了方便粘貼建筑物立面紋理，采集線狀地物時(shí)(如圍墻)線條不宜太長(zhǎng)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)不能太多。

1.3DEM、DOM的獲取

用VirtuoZo軟件經(jīng)過(guò)模型定向獲取航空影像立體模型以后，由于VirtuoZo軟件系統(tǒng)不能自動(dòng)識(shí)別房屋、樹(shù)木、水域等地物，自然就將這些地物當(dāng)做地形處理，由此就產(chǎn)生不符合實(shí)際地形情況的視差曲線，所以要對(duì)立體模型進(jìn)行影像匹配和匹配編輯，匹配編輯的結(jié)果對(duì)DEM、DOM的精度影響比較大。

2　三維模型構(gòu)建及紋理處理

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

用IMAGIS MagiXity軟件自動(dòng)生成三維模型要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括IGS的測(cè)圖數(shù)據(jù)(*.xyz)、匹配編輯好的DEM、DOM、原始航片影像(*.vz)、影像信息文件(*.spt)、內(nèi)定向結(jié)果文件(*.iop)、絕對(duì)定向結(jié)果文件(*.aop)以及航空攝影機(jī)的相機(jī)參數(shù)文件(*.cmr)。由于航空攝影只能獲取建筑物頂部的紋理，對(duì)于建筑物立面的紋理則是通過(guò)人工到實(shí)地拍攝獲得。

2.23dv文件的生成

將上述的數(shù)據(jù)引入到MagiXity軟件中，軟件系統(tǒng)根據(jù)*.xyz文件中量測(cè)出的房頂面的線條和DEM自動(dòng)計(jì)算建筑物的高度并生成建筑物。當(dāng)房頂面的線條不封閉時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)封閉房屋的頂面但不封閉房屋的側(cè)面。則MagiXity軟件自動(dòng)生成三維模型，用MagiXity軟件中的紋理功能對(duì)建筑物的各墻面紋理進(jìn)行處理，MagiXity將所有建筑物文件及其紋理文件都存放在統(tǒng)一的目錄下，*.3dv為建筑物文件，*.jpg為其紋理文件。

2.3在IMAGIS中導(dǎo)入MagiXity的三維數(shù)據(jù)

由于VirtuoZo輸出的DEM在Z值上擴(kuò)大了10倍，所以必須在使用前還原為真實(shí)值，對(duì)DEM進(jìn)行除10處理恢復(fù)其真實(shí)的大地坐標(biāo)；對(duì)在MagiXity中完成的建筑物*.3dv或*.jpg進(jìn)行合并生成新的*.3dv建筑物文件和*.jpg紋理文件；導(dǎo)入除10以后的地面模型DEM，添加地面紋理即正射影像DOM，添加新生成的*.3dv建筑物文件和*.jpg紋理文件，完成全部MagiXity數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，如圖1所示。

2.4三維模型的紋理處理

給房屋等物體的表面貼上圖片可以使場(chǎng)景變得更真實(shí)，這對(duì)于建立虛擬的場(chǎng)景或重現(xiàn)真實(shí)景觀都很重要。貼紋理的過(guò)程分為兩種：選擇對(duì)應(yīng)點(diǎn)和不選擇對(duì)應(yīng)點(diǎn)。貼紋理的方式有三種：一般紋理、平鋪紋理和透明紋理。選擇要貼圖的實(shí)體，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷選擇的實(shí)體是否可以進(jìn)行貼圖，如果選擇有效，就會(huì)彈出一個(gè)文件選擇對(duì)話框，貼圖文件可以是*.bmp、*.tif、*jpg和*.gif格式的圖片，選擇圖片后設(shè)置粘貼紋理的方式和參數(shù)，操作結(jié)束后所選實(shí)體表面就會(huì)顯示紋理或圖像，如圖2所示。貼圖文件是通過(guò)數(shù)碼照相機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)建筑物進(jìn)行攝影，獲取jpg格式的照片，之后將采集到的中心投影照片通過(guò)Photo shop等圖像處理軟件進(jìn)行處理得到正直攝影的照片，如圖2所示。

若選擇不選對(duì)應(yīng)點(diǎn)貼圖方式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將紋理縮放到與要貼圖的表面同等大??；若選擇選對(duì)應(yīng)點(diǎn)貼圖方式時(shí)，可以對(duì)圖片進(jìn)行縮放以精確選擇，系統(tǒng)會(huì)按選擇的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)著將圖片貼到表面上，在選對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)，必須保持圖片與表面上的點(diǎn)方向一致以確保一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)對(duì)象是曲面時(shí)，圖形區(qū)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)只限制在曲面的底邊和頂邊，不能在曲面的中部選擇。

圖1　三維模型顯示窗口

圖2　紋理粘貼

透明紋理可用于樹(shù)木、廣告牌等的粘貼，粘貼后顯示的紋理可以將某種顏色透明不顯示，而顯示其它部分，自行設(shè)定哪種顏色透明顯示，只有bmp格式的圖片用于透明紋理的粘貼，其它格式的圖片不可以。透明紋理的透明度是可控的，透明度的控制參數(shù)范圍是0～255，該參數(shù)值越小，紋理透明效果越明顯，若為0就完全透明，為255就沒(méi)有透明效果。

平鋪紋理可用于草坪、地面等單調(diào)紋理的粘貼，使用一張不大的圖像，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)將該圖片平鋪滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

2.5生成AVI視頻文件

運(yùn)行IMAGIS 3DBrowser軟件，通過(guò)添加指定的DEM、地面影像、*.3dv文件及Texture文件夾下的三維建模完成貼有紋理的3d格式文件，即可生成場(chǎng)景；在創(chuàng)建完成的場(chǎng)景中運(yùn)用飛行路線編輯功能，輸入適當(dāng)?shù)娘w行速度和飛行高度，設(shè)定飛行路線，保存飛行路徑為pth格式；選擇回放飛行路線就可以看到飛行的漫游效果；對(duì)編輯完成的飛行路線生成AVI視頻文件，從而可實(shí)現(xiàn)三維模型的漫游，三維場(chǎng)景漫游視頻截圖如圖4所示。

圖3　紋理編輯

圖4　AVI視頻顯示窗口

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)VirtuoZo與IMAGIS的城市三維建模技術(shù)探討，筆者認(rèn)為：

與以往的利用二維地圖進(jìn)行三維模型的構(gòu)建具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，由于在采集建筑物的空間位置時(shí)，即對(duì)建筑物進(jìn)行封閉測(cè)量，避免了數(shù)據(jù)冗余；由于構(gòu)建三維模型的建筑物的空間坐標(biāo)XYZ、數(shù)字地面模型DEM以及正射影像DOM，均是在一個(gè)立體模型元數(shù)據(jù)上所取，避免了提取樓房樓層數(shù)計(jì)算建筑物的高度以及提取房屋的地面高度問(wèn)題[2]。

在粘貼建筑物立面紋理時(shí)，由于航空攝影獲取的建筑物影像存在遮擋現(xiàn)象，部分建筑物的立面紋理需要到實(shí)地獲取，所獲取的中心投影影像通過(guò)Photo shop等圖像處理軟件進(jìn)行處理得到正直攝影的影像，在IMAGIS系統(tǒng)下要人工手動(dòng)操作才能粘貼真實(shí)紋理而不是自動(dòng)化的粘貼紋理，這樣做非常浪費(fèi)時(shí)間，工作效率較低。

VirtuoZo系統(tǒng)與IMAGIS系統(tǒng)相結(jié)合生成真實(shí)的城市景觀模型，這種城市景觀模型的建設(shè)會(huì)有真實(shí)的紋理，很容易提取地面的三維對(duì)象，而且對(duì)地表上單個(gè)幾何對(duì)象很容易進(jìn)行建模，也可以建立大面積城市三維模型，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)查詢(xún)和分析操作。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

An urban 3D modeling technology based on VirtuoZo and IMAGISHUO Chunling1,JIA Xinyu2

3D modeling is the foundation of virtual reality system,which is one of the key procedures,and core technology of virtual reality.Combining both VirtuoZo with IMAGS together,this paper introduces a 3D coordinates data collecting method of buildings and discusses the relative rules,taking the campus image information of Heilongjing Institute of Technology as an example.Accurate 3D modeling can be achieved by collecting the 3D coordinates,DEM,DOM,and taking actual facade image of buildings.After inefficient manual pasting for the texture of buildings,3D modeling can be visualized in the form AVI videos,and finally the virtual reality system of buildings can be generated.

VirtuoZo；IMAGIS；virtual reality; 3D modeling

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.008

2016-04-15

霍春玲(1963-)，女，高級(jí)工程師，研究方向：航空攝影測(cè)量;虛擬現(xiàn)實(shí).

P208

A

1671-4679(2016)05-0025-04

(1.College of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China 2.College of Computer Science and Technology,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China )