楊 忠

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

0 引 言

隨著數(shù)字地球、數(shù)字城市的快速發(fā)展，三維數(shù)字化技術(shù)[1]的需求也越來(lái)越大，三維地理信息系統(tǒng)[2]成為了當(dāng)前主要的發(fā)展趨勢(shì)之一。相比于傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)，三維地理信息系統(tǒng)在對(duì)客觀世界的表達(dá)方面能給人以更真實(shí)的感受，它以三維立體的造型技術(shù)為用戶展現(xiàn)更真實(shí)的地理空間現(xiàn)象，不僅能表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。另外，對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間瀏覽、分析與操作也是三維GIS[3]特有的功能。

三維地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，三維空間數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素。在三維模型方面，要考慮到美觀程度、形狀、植被、建筑物特點(diǎn)、水資源、地形、模型大小等；在二維數(shù)據(jù)方面，要考慮到二維空間數(shù)據(jù)的采集，二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)尺寸的對(duì)應(yīng)以及三維數(shù)據(jù)[5]導(dǎo)入管理等；在二、三數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)方面，要考慮三維模型位置定位準(zhǔn)確，空間信息對(duì)應(yīng)等；在三維預(yù)覽方面，考慮是否能實(shí)現(xiàn)全景瀏覽[6]。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)是多方面技術(shù)的整合，文中整合了SketchUP[7]和ArcGIS技術(shù)，研究了二者間的數(shù)據(jù)無(wú)縫結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原則

(1)遵循簡(jiǎn)單化和形象化原則。二維空間數(shù)據(jù)的表達(dá)[8]是抽象性，三維空間數(shù)據(jù)的表達(dá)則是通過簡(jiǎn)單與形象的三維重建，使人們?cè)谔摂M世界中感知到現(xiàn)實(shí)世界的三維場(chǎng)景。目前由于計(jì)算機(jī)處理能力不夠高和成本的局限，計(jì)算機(jī)處理圖像速度變慢，而且當(dāng)模型過多時(shí)會(huì)變得格外遲鈍，因此設(shè)計(jì)三維模型往往不能實(shí)現(xiàn)其所有細(xì)節(jié)。應(yīng)該保持對(duì)象的主要特征，簡(jiǎn)化甚至忽略不重要的細(xì)節(jié)，保留甚至夸大對(duì)象的主要特征部分，以達(dá)到模型簡(jiǎn)單化和形象化的目的。

(2)比例尺原則。與二維空間數(shù)據(jù)有共同點(diǎn)，三維空間數(shù)據(jù)的比例尺是三維模型設(shè)計(jì)中遵循數(shù)據(jù)精度的一個(gè)指標(biāo)。三維空間數(shù)據(jù)的比例尺是數(shù)據(jù)質(zhì)量高低的一個(gè)憑證，決定了三維空間表達(dá)的精簡(jiǎn)化程度。目前，由于城市三維地理信息系統(tǒng)在三維數(shù)據(jù)方面沒有固定劃分的比例尺，所以數(shù)據(jù)采集和模型制作的精度就沒有明確規(guī)定，只能根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求確定。

(3)應(yīng)用導(dǎo)向原則。當(dāng)前，很多不同的行業(yè)和部門已經(jīng)開始使用城市三維地理信息系統(tǒng)。由于各自的需求不同，對(duì)于三維空間數(shù)據(jù)表達(dá)的精細(xì)程度也各不相同。而應(yīng)用導(dǎo)向原則重點(diǎn)突出與使用目的有關(guān)系的內(nèi)容，可以根據(jù)使用需求的不同，去掉冗余細(xì)節(jié)，確定出對(duì)應(yīng)的種類、細(xì)節(jié)以及水平和高程方向上的精度要求。

2 三維建模方式比較

在制作三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，主流的三維建模方式有3D MAX[9]、SketchUP、實(shí)景建模和傾斜攝影建模。這些三維建模方式在不同領(lǐng)域中有著自己獨(dú)特的特征，具體比較如表1所示。

表1 三維建模方式比較

通過表1的比較，采用SketchUP建模相對(duì)經(jīng)濟(jì)、周期短、顯示效果好，唯一不足的是模型需要轉(zhuǎn)換為3DS文件，才能導(dǎo)入GIS軟件平臺(tái)[10]，可以采用3D MAX軟件進(jìn)行批量化處理。

3 三維數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

三維空間數(shù)據(jù)主要包括二維空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、高程數(shù)據(jù)和三維模型。二維矢量數(shù)據(jù)的獲取主要是通過矢量化，是實(shí)現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)最重要的步驟，高程數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)三維地形的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，三維模型是三維展示的重要數(shù)據(jù)[11]。

具體的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

(1)二維空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

二維空間數(shù)據(jù)處理包括二維圖矢量化和二維空間數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，二維圖矢量化就是二維地圖的繪制，在繪制過程中，要考慮地形、地物等地貌要素，建立各種需要的點(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、路燈等用點(diǎn)表示。二維空間數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際的需求，建立各個(gè)圖層特征要素的詳細(xì)屬性信息，二維空間數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)也是二維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的核心內(nèi)容，為二、三維空間數(shù)據(jù)的定位、查找以及空間分析[12]提供了基礎(chǔ)保障。

圖1 三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)流程

(2)高程數(shù)據(jù)處理。

數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲取方法一般有兩種：一種是矢量化等高線，獲取高程數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)；另一種是通過航天、航空遙感影像立體圖像對(duì)其提取DEM數(shù)據(jù)。后者數(shù)據(jù)更新快、更接近實(shí)際，但費(fèi)用較高，前者費(fèi)用低，但是繁瑣，花費(fèi)的時(shí)間不少，僅對(duì)精度要求不高的區(qū)域適用?？梢愿鶕?jù)不同的高程精度選擇不同的獲取方法，高程數(shù)據(jù)的處理主要是體現(xiàn)地形的特點(diǎn)，為三維空間數(shù)據(jù)增強(qiáng)了真實(shí)感。

(3)三維建模。

利用SketchUP軟件建立三維模型[13]，具體技術(shù)流程：第一，矢量化數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換為AutoCAD文件(*.dwg，*.dxf)格式；第二，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SketchUP軟件；第三，利用SketchUP三維建模；第四，進(jìn)行紋理貼圖。

三維建模包括了點(diǎn)類型地物建模、線類型地物建模、面類型地物建模和地形建模。

(1)點(diǎn)類型地物建模。

在三維地物中，有一些簡(jiǎn)單地物可以用點(diǎn)狀要素表示。樹木、路燈等這些地物的幾何形狀比較有規(guī)律?？梢允褂猛獠磕Ｐ?，或者直接建模處理。

(2)線類型地物建模。

道路、河流、湖泊等的建?？梢杂镁€類型地物的建模表示。在SketchUP中線狀地物不需要單獨(dú)建模，普遍把線看成是帶有或多或少面積的立體面，比如把道路看作是具有一定寬度的面。利用處理好的紋理材質(zhì)進(jìn)行貼圖，可以呈現(xiàn)逼真的效果。

(3)面類型地物建模。

SketchUP中的面狀地物模型具有大小和長(zhǎng)短的特征，像建筑物、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、草地等的建模。對(duì)于建筑物的建模，其建模過程可以分兩步進(jìn)行，一是幾何建模，二是紋理建模。在幾何建模過程中，先在SketchUP中導(dǎo)入建筑物底圖，然后用畫筆工具勾勒得到建筑物的外部輪廓，再用拉伸工具得到三維模型。在紋理建模過程中，站在不同角度拍攝建筑物的照片，并在Photoshop中進(jìn)行校正處理，可以作為材質(zhì)對(duì)所畫三維模型進(jìn)行貼圖。

(4)地形建模。

“沙盒”工具是SketchUP軟件中專門用來(lái)建立或改變處理地形的。在“沙盒”工具中僅僅利用現(xiàn)有的等高線就能簡(jiǎn)單地創(chuàng)建地形。

通過三維建模具體實(shí)現(xiàn)的效果如圖2所示。

4 三維模型與二維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

三維模型與ArcGIS能進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，關(guān)鍵的處理過程是二維矢量化的過程，在該過程中，要進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，保證矢量圖形的完整性。由于兩個(gè)地圖數(shù)據(jù)間都具有相同的比例尺、空間參考、坐標(biāo)系統(tǒng)、要素符號(hào)、空間位置等信息，為二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)提供了保障。

圖2 三維建模效果

三維模型導(dǎo)入。SketchUP所建立的三維立體模型數(shù)據(jù)不能直接被ArcGIS軟件識(shí)別，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。為了更好地管理數(shù)據(jù)，前期統(tǒng)一將建模數(shù)據(jù)在ArcGIS中制作成shape格式文件；然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS中，選擇需要建模的二維GIS數(shù)據(jù)，將所選擇的二維數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換為SketchUP能識(shí)別的格式，再進(jìn)行三維建模等操作。最后將建立好的三維立體模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常使用3DS文件(*.3ds)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3DS文件(*.3ds)數(shù)據(jù)格式文件導(dǎo)入到ArcGIS提供的ArcScene中進(jìn)行三維顯示。

三維模型數(shù)據(jù)的優(yōu)化[14]。為了不影響三維虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行速度，盡量用畫龍點(diǎn)睛的方法，減少或者去掉多余的細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)或夸大模型特征；在用3DS文件(*.3ds)格式導(dǎo)出SketchUP模型數(shù)據(jù)時(shí)，模型的紋理數(shù)據(jù)出現(xiàn)部分丟失的可能性很大。而解決紋理丟失的辦法是刪掉不需要的線和面[15]，還可以把模型進(jìn)行分解，逐步導(dǎo)出來(lái)。具體實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

圖3 三維模型與二維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)效果

5 結(jié)束語(yǔ)

采用SketchUP軟件與ArcGIS平臺(tái)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，利用二者的交互解決二維GIS數(shù)據(jù)批量生成三維模型的方法，解決了以往三維場(chǎng)景中三維模型只能顯示，不能查詢編輯的問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的查詢與編輯，對(duì)三維模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，以最少的系統(tǒng)資源消耗，較好地對(duì)三維建筑實(shí)景進(jìn)行顯示瀏覽。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)體驗(yàn)效果好，立體感強(qiáng)，給人一種身臨其境的感覺，且三維場(chǎng)景瀏覽速度快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性，同時(shí)為三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)提供了技術(shù)參考。

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