王星捷，李春花

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

基于SuperMap的三維數(shù)字城市的研究與應(yīng)用

王星捷，李春花

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

針對(duì)三維數(shù)字城市的建設(shè)過程中，三維模型制作、二、三維數(shù)字信息聯(lián)動(dòng)、三維動(dòng)態(tài)效果實(shí)現(xiàn)以及影響實(shí)現(xiàn)速度的模型大小等問題。本文提出了一種基于SuperMap的三維數(shù)字城市技術(shù)方法。結(jié)合ArcGIS平臺(tái)、SuperMap平臺(tái)和Sketchup平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市，采用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，較好的解決了以上的問題。為三維數(shù)字城市的建設(shè)提供了一種簡潔、實(shí)用、便捷的技術(shù)方案。

三維數(shù)字城市；三維模型可視化；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，硬件產(chǎn)品性能的不斷提高，無論是信息化技術(shù)的快速發(fā)展還是人們意識(shí)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，都在發(fā)生著相當(dāng)大的變化，尤其是人們對(duì)于維度的改變有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，以往的二維空間已經(jīng)不能滿足用戶的各種需求，然而現(xiàn)今火熱上升的三維時(shí)代正在被用戶所期待。當(dāng)人們一談到三維空間[1]，首先就必須要談到三維數(shù)字城市[2]，那是因?yàn)槿S數(shù)字城市是在數(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)而構(gòu)建的一種數(shù)字化城市[3]的模式。

三維數(shù)字城市在今后日常生活中的應(yīng)用將越來越普遍，在科技開發(fā)、商業(yè)、醫(yī)療業(yè)（手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷）、娛樂行業(yè)、城市規(guī)劃、教育領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域中都將離不開它，將使人們的生活越來越立體化、真實(shí)、便捷。因此，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市，還原了一個(gè)真實(shí)的城市，建立了一個(gè)具有人性化、直觀化的溝通界面和基礎(chǔ)平臺(tái)。對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。

1 三維數(shù)字城市技術(shù)框架

文中立足于三維數(shù)字城市建設(shè)的技術(shù)的研究，結(jié)合了ArcGIS平臺(tái)、Sketchup平臺(tái)和SuperMap平臺(tái)，研究了三維建模[4]技術(shù)、二維地形處理技術(shù)、三維模型存儲(chǔ)技術(shù)和二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)技術(shù)[5]，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市。具體的技術(shù)框架圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)框架圖

三維數(shù)字城市的基礎(chǔ)是三維建模[6]，三維建模的難點(diǎn)是數(shù)據(jù)大，模型多元化，紋理素材多樣化，工作量大。模型建立的逼真度，直接影響到三維數(shù)字城市的直觀效果。為此，采用了Sketchup平臺(tái)[7]進(jìn)行三維建模，使用其進(jìn)行建模，就好比在紙上面用筆畫畫一樣簡單方便，整個(gè)制作過程中不僅可以直白的表達(dá)用戶的設(shè)計(jì)理念，而且可以滿足用戶隨時(shí)交流的實(shí)時(shí)性。

完成三維建模后，三維模型的信息存儲(chǔ)又是一個(gè)難點(diǎn)，要保證三維模型無縫精確的鏈接在二維空間信息庫中，就必須處理好二維地形圖和空間屬性信息的管理。眾所周知，ArcGIS平臺(tái)有強(qiáng)大的GIS數(shù)據(jù)處理和空間信息管理功能，因此，在處理二維地形圖的過程中，采用ArcGIS平臺(tái)，首先用稻歌軟件獲取所需地域的遙感數(shù)據(jù)，然后通過投影轉(zhuǎn)換、矢量化、屬性信息建庫等制作精確的二維地形數(shù)據(jù)。

最后的難點(diǎn)就是二、三維的聯(lián)動(dòng)技術(shù)，該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市的關(guān)鍵技術(shù)。SuperMap平臺(tái)支撐ArcGIS文件數(shù)據(jù)，支持多種三維模型數(shù)據(jù)，提供了多種三維符號(hào)和場景效果[8]，能方便的導(dǎo)入導(dǎo)出三維模型，采用SuperMap的iServer平臺(tái)，可以方便的發(fā)布地圖服務(wù)和真空間服務(wù)進(jìn)行管理三維數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市。

2 三維模型處理

三維建模處理包括三維幾何模型建立和紋理材質(zhì)采集[9]。要保證三維模型的逼真度，要采用高像素的相機(jī)對(duì)真實(shí)的實(shí)物進(jìn)行拍照并進(jìn)行紋理圖片的處理。三維幾何模型包括建筑物、地形和輔助物的建模。

建筑物的建模是三維數(shù)字城市中量最大[10]，最繁重的內(nèi)容，要保證真實(shí)度，要對(duì)建筑物的種類進(jìn)行分類，其次依照前期采集的數(shù)據(jù)再根據(jù)不同建筑物的外觀及結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，主要處理方法為，首先對(duì)建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要是建筑物結(jié)構(gòu)的幾何數(shù)據(jù)的紋理數(shù)據(jù)[11]；其次再進(jìn)行三維建模，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，以及模型在場景中多角度多方位的瀏覽問題，也就是最后的在場景中的位置擺放；最后是對(duì)模型進(jìn)行上色等，使模型具有真實(shí)性。

輔助物的建模[12]主要是綠色植物，比如樹木、花草等。綠色植物的幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，從而制作比較麻煩且制作時(shí)間相對(duì)較長，而且在場景中數(shù)量有比較多，讓系統(tǒng)的開銷很大。傳統(tǒng)的方法是采用平面映射的組合建模，但這樣的效果比起真正的樹木就會(huì)顯示的粗糙多了，尤其是在視點(diǎn)拉近的情況下，樹木紋理容易失真。所以本采用的是選擇建立逼真的樹木模型，同時(shí)也加上少量的不逼真的花草，這樣才能減小系統(tǒng)開銷，又保證了真實(shí)度。

地形建模是三維建模中比較難處理的工作，許多三維建模工具包括Sketchup也只能直接拉伸面，并不能出現(xiàn)坡度，這樣無法體現(xiàn)坡度效果。為此，本文研究了一種新的方法，解決了該難點(diǎn)。采用CAD工具繪制地形的等高線，利用Sketchup中的沙盒工具根據(jù)等高線創(chuàng)建地形的模型，再進(jìn)行紋理貼圖。具體效果如圖2所示。

圖2 地形建模圖

采用以上的方法，可以方便、快捷、逼真的建立好三維數(shù)據(jù)模型。

3 二維地形圖處理

二維地形圖數(shù)據(jù)的處理，主要包括了影像數(shù)據(jù)采集、ArcGIS二維矢量圖形制作和二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入SuperMap。

影像數(shù)據(jù)采集是用稻歌軟件截取的，打開稻歌軟件后縮放到所需地域的范圍，使用矩形截圖，截取的范圍為學(xué)校的范圍， 稻歌的投影坐標(biāo)為Popular_Visualisation_CRS_Mercato，在截取后要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，在 ArcGIS中有柵格投影轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為GCS_WGS_1984坐標(biāo)，該坐標(biāo)世界級(jí)地理坐標(biāo)系，即WGS84:World Geodetic System 1984，是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。也是全球所有衛(wèi)星所用的坐標(biāo)系統(tǒng)，和主要參數(shù)是地球的經(jīng)度和緯度。

ArcGIS繪制二維圖的功能較SuperMap更全面，所以最終選擇是在ArcGIS中繪制的二維地圖，首先在存放矢量數(shù)據(jù)的文件夾里新建Shape文件，因?yàn)橐氐綍r(shí)候要導(dǎo)入SuperMap中所以在ArcGIS中以Shape文件的格式存在。在繪制二維地圖的時(shí)候，根據(jù)相應(yīng)的需求，新建需要的點(diǎn)、線、面格式數(shù)據(jù)，比如道路用線表示，綠地、房屋、地面用面數(shù)據(jù)表示，樹木、路燈等就用點(diǎn)數(shù)據(jù)表示。新建好Shape文件后將文件加載到Arcmap中，同時(shí)也將影像數(shù)據(jù)加載進(jìn)去，接下來就是二維數(shù)據(jù)的繪制，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的地物特征用矢量數(shù)據(jù)勾出輪廓，將遙感數(shù)據(jù)中所有的地物用矢量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來[13]。

由于最終是在SuperMap中實(shí)現(xiàn)三維場景，所以在ArcGIS中繪制完成二維圖后，將所有要素導(dǎo)入到SuperMap中。在SuperMap中新建一個(gè)數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)源中選擇導(dǎo)入數(shù)據(jù)集，找到二維地圖中所有的Shape文件，選擇添加，將其導(dǎo)入到數(shù)據(jù)源中。導(dǎo)入要素成功之后，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)化，賦予相對(duì)應(yīng)的符號(hào)顏色及表現(xiàn)方式。具體效果如圖3所示。

圖3 二維地形圖循

4 二、三維數(shù)據(jù)結(jié)合

二、三維數(shù)據(jù)結(jié)合，關(guān)鍵的技術(shù)有兩個(gè)點(diǎn)，一是如何將三維數(shù)據(jù)集與二維的數(shù)據(jù)源結(jié)合，保證二維要素和坐標(biāo)與三維模型保持一一對(duì)應(yīng)；二是三維模型導(dǎo)入后模型精細(xì)處理。

SuperMap只支持3ds格式及自身的gsm格式的三維模型，三維數(shù)字城市中，建筑物數(shù)量太多并且因數(shù)量太多導(dǎo)入后，數(shù)據(jù)顯示時(shí)會(huì)存在貼圖丟失及出現(xiàn)黑斑、破面等情況。對(duì)于該問題，本文采用了利用3dmax軟件和CAD的方法進(jìn)行了解決，將三維模型導(dǎo)入到3dmax軟件中，并在3dmax中生成數(shù)據(jù)集，以CAD數(shù)據(jù)集的形式導(dǎo)入到上面完成的二維數(shù)據(jù)源中，利用SuperMap平臺(tái)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)和路徑，生成三維數(shù)據(jù)源，保證要素、坐標(biāo)、模型和紋理貼圖一一對(duì)應(yīng)。

3dmax中生成數(shù)據(jù)集后有些模型在SuperMap中顯示會(huì)是透明的，需要把單個(gè)模型重新導(dǎo)入到SuperMap中，消除透明現(xiàn)象。SuperMap中提供了湖水的三維符號(hào)，可設(shè)置水速、亮度、水波頻率等效果。將該符號(hào)應(yīng)用于湖面，真實(shí)的模擬了城市的湖面效果。如圖4所示。為了保證加載三維場景的時(shí)候的度更快，在紋理貼圖的時(shí)候要注意圖片的大小，一般為2的n次方，最大為512，最小為8。

圖4 湖面三維設(shè)置效果

貼圖時(shí)，要注意高度模式的處理[14]，高度模式中選擇相對(duì)高度或者絕對(duì)高度，拉伸出一定的高度，在旁邊的三維貼圖管理中貼圖。分為頂面貼圖和側(cè)面貼圖，根據(jù)自己的需求和前期材料的準(zhǔn)備，對(duì)模型進(jìn)行貼圖，使其在場景中更加逼真。

5 系統(tǒng)發(fā)布

完成了二、三維數(shù)據(jù)結(jié)合后，三維數(shù)字城市的三維空間信基本建立完成，下面只需要在服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布，利用空間服務(wù)和地圖服務(wù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市[15]。

SuperMap iServer是發(fā)布服務(wù)的平臺(tái)，該平臺(tái)操作簡單，提供了多種服務(wù)的方式，可以根據(jù)自己的需要發(fā)布相應(yīng)的服務(wù)，在實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市中，需要發(fā)布真空服務(wù)和地圖服務(wù)，用于三維瀏覽和空間數(shù)據(jù)處理。

在發(fā)布服務(wù)成功之后，便可以瀏覽所發(fā)布的服務(wù)，在SuperMap iServer服務(wù)的首頁點(diǎn)擊服務(wù)，在服務(wù)欄下中有工作空間的選項(xiàng)卡，在此選項(xiàng)欄下就是發(fā)布的所有服務(wù)，在點(diǎn)擊服務(wù)的地址后，出現(xiàn)真空間服務(wù)根節(jié)點(diǎn)，它描述 realspace資源是 SuperMap iServer REST服務(wù)中，三維服務(wù)的根節(jié)點(diǎn)。realspace資源包含三個(gè)子資源，它們分別提供了三維場景、三維數(shù)據(jù)及符號(hào)的信息和操作。這里的三維數(shù)據(jù)是指KML數(shù)據(jù)或經(jīng)過預(yù)處理之后的三維緩存數(shù)據(jù)，一個(gè)三維數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)三維場景中的一個(gè)三維圖層。在真空間服務(wù)根節(jié)點(diǎn)中有sence，里面記錄了該工作空間下發(fā)布的三維場景，點(diǎn)擊后可以瀏覽三維數(shù)字城市效果。具體的顯示效果如圖5所示。

6 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

圖5 三維數(shù)字城市瀏覽效果

文中實(shí)驗(yàn)的對(duì)象為樂山城區(qū)約1 800畝的城市區(qū)域，三維模型包括了湖面、地形、樹木和建筑物等多種地物地貌。采用本文的提出的方法，建出的模型美觀度好、逼真度高、存儲(chǔ)量小，在三維模型與二維數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接過程中，保證了三維模型數(shù)據(jù)無坐標(biāo)偏差，導(dǎo)入的角度和方向無任何誤差，二維要素信與三維模型信息無縫的結(jié)合，二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)管理方便，易于修改。 發(fā)布后，利用多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試，在瀏覽過程中，三維信息能與二維信進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，加載和運(yùn)行速度快，漫游過程中，無卡頓現(xiàn)象。表1為三維建模技術(shù)參數(shù)對(duì)比，表2為三維數(shù)字城市實(shí)現(xiàn)效果技術(shù)參數(shù)。

表1 三維建模技術(shù)對(duì)比

表2 三維數(shù)字城市瀏覽效果

7 結(jié)束語

利用ArcGIS平臺(tái)、SuperMap平臺(tái)和Sketchup平臺(tái)結(jié)合，研究一種三維數(shù)字城市的技術(shù)，為三維數(shù)字城市的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的技術(shù)方法。本文以樂山市城區(qū)某區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了如何提高三維建模的速度和模型的逼真度，解決了地形模型的建模方法，三維動(dòng)態(tài)效果，導(dǎo)入后模型透明的問題，三維模型數(shù)據(jù)源管理和二、三維數(shù)據(jù)源鏈接等技術(shù)性難點(diǎn)。通過SuperMap iServer平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)的發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字城市，在瀏覽和漫游過程中系統(tǒng)響應(yīng)速度快、真實(shí)度高、畫面流暢、體驗(yàn)效果好。

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Research and application of 3D digital city based on SuperMap

WANG Xing-jie，LI Chun-hua
（The Engineering Technical College of Chengdu University of Technology，Leshan 614007，China）

In order to solve the problems of in the process of the construction of three-dimensional digital city，such as 3D model making，two-three dimensional digital information linkage，three-dimensional dynamic effect and the impact of the speed of the model size.This paper proposes a method of 3D digital city technology based on SuperMap.The integration of ArcGIS platform，SuperMap platform and SketchUp platform achieves the three-dimensional digital city.Through an example，it is proved that the above problems are solved well.This paper provides a simple，practical and convenient technical solution for the construction of 3D digital city.

3D digital city；3D model visualization；ArcGIS；Sketchup；SuperMap

TN02

A

1674－6236（2017）10-0006-04

2016-03-31稿件編號(hào)：201603419

2014年度四川省教育廳科研項(xiàng)目（14ZB0351）

王星捷（1980—），男，湖南永州人，碩士，副教授。研究方向：數(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。